Υπερκαινοφανείς Αστέρες: Ένας επεισοδιακός θάνατος

Οι υπερκαινοφανείς αναλάμψεις και ο εμπλουτισμός της κοσμικής αστρόσκονης.

Εισαγωγη


Ως Υπερκαινοφανής χαρακτηρίζεται ένας εκρηκτικώς μεταβλητός αστέρας, που εμφανίζει απότομη μεταβολή της φωτεινότητας και της φαινόμενης λαμπρότητάς του. Κατά την περίοδο της εκρηκτικής του ανάλαμψης μπορεί να αυξήσει την φαινόμενη λαμπρότητά του μέχρι και 20 μεγέθη.

Οι υπερκαινοφανείς αστέρες (supernova) οφείλουν το όνομά τους στον αστρονόμο Τύχωνα Μπραχέ (Tycho Brahé), ο οποίος εντόπισε τον λαμπρό αστέρα που φέρει το όνομά του και που αποτελούσε ανάλαμψη υπερκαινοφανούς που συνέβη το 1572 μ.Χ., στην περιοχή του αστερισμού της Κασσιόπης. Ο Μπραχέ δημοσίευσε τις παρατηρήσεις του την ίδια χρονιά, στο περιοδικό Astronomiae Instauratae Progymnasmata. Αργότερα (1573) συνέγραψε για το θέμα αυτό ένα μικρό βιβλίο με τίτλο «De Nova Stella» (Για το Νέο Αστέρι) καθώς ο ίδιος, όπως και οι λοιποί αστρονόμοι της εποχής του, πίστευαν ότι το φαινόμενο αυτό συνδέεται με την δημιουργία ενός νέου αστέρα.

Η βίαιη και μεγαλειώδης έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς είναι ένα τεράστιας ισχύος φαινόμενο, καθώς απελευθερώνει μεγάλα ποσά ηλεκτρομαγνητικής και κινητικής ενέργειας.

Υπερκαινοφανής Ανάλαμψη

Η εμφάνιση ενός υπερκαινοφανούς (supernova) είναι αιφνίδια, συνήθως σε κάποιο σημείο που υπήρχε ένα κοινό αστέρι. Η λαμπρότητά του αυξάνει σε μερικές ώρες ή ημέρες κι εν συνεχεία ελλαττώνεται βαθμιαία, με χρόνο ημιζωής της τάξης των 100 περίπου ημερών. Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που ακτινοβολείται σε λίγες μόνο ημέρες, είναι συγκρίσιμη με την ενέργεια που ακτινοβολεί ο ήλιος μας σε όλη τη διάρκεια της ζωής του που βρίσκεται στην Κύρια Ακολουθία.

Την έκρηξη συνοδεύει μια τεράστιας κλίμακας εκτόξευση ύλης γύρω από τον αστέρα (που πιθανότατα μπορεί να φτάσει έως και τις 10 ηλιακές μάζες). Έτσι σχηματίζεται ένα σφαιρωτό κέλυφος το οποίο διαστέλλεται με μεγάλη ταχύτητα.

Η κινητική ενέργεια του κελύφους είναι δεκαπλάσια της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που εκλύεται κατά την έκρηξη. Επιπροσθέτως, ένα μεγάλο ποσό ενέργειας (εκατονταπλάσιο της ηλεκτρομαγνητικής) μεταφέρεται από τα νετρίνα, τα οποία εγκαταλείπουν τον supernova στο αρχικό στάδιο της έκρηξης.

Η δομή του αστέρα καταστρέφεται ολοκληρωτικά. Έτσι, παρόλο που γίνεται ορατός με γυμνό οφθαλμό, δημιουργώντας αρχικά, όπως είδαμε, στους αστρονόμους την εντύπωση ότι κάποιος νέος αστέρας γεννάται, αντίθετα όμως, η κατακλυσμική έκρηξη που κοστίζει στο αστέρα το μεγαλύτερο μέρος της μάζας και της ενέργειάς του, ουσιαστικά σηματοδοτεί τον θάνατό του.

Τα υπολείμματα υπερκαινοφανών εκπέµπουν στο φάσμα των ακτίνων Χ, κάτι που οφείλεται σε θερµική ακτινοβολία πέδης, λόγω της θέρμανσης που έχει επιφέρει το κύµα κρούσης (shock wave) του υπερκαινοφανούς. Πρόσφατα ανιχνεύτηκε ακτινοβολία που οφείλεται σε μη θερμική εκπομπή σχετικιστικών ηλεκτρονίων (σύγχροτρον και αντίστροφη σκέδαση Compton).

Ταξινομηση Υπερκαινοφανων


Με βάση την καμπύλη φωτός και το φάσμα τους, οι υπερκαινοφανείς χωρίζονται γενικά σε δύο μεγάλες κατηγορίες.

  1. Υπερκαινοφανείς τύπου Ιa. Δημιουργούνται από προσαύξηση μάζας σε συστήματα διπλών αστέρων. Παρατηρείται έλλειψη φασματικών γραμμών Υδρογόνου (Η) στο φάσμα τους.
  2. Υπερκαινοφανείς τύπου ΙΙ, Ιb, Ιc. Δημιουργούνται έπειτα από εξάντληση πυρηνικών καυσίμων σε μοναχικούς αστέρες μεγάλης μάζας. Στο φάσμα των υπερκαινοφανών τύπου ΙΙ παρατηρούνται φασματικές γραμμές Υδρογόνου (H) ενώ αντίθετα στο φάσμα των Υπερκαινοφανών τύπου Ιb/c παρατηρείται έλλειψη φασματικών γραμμών Υδρογόνου (Η) και Ηλίου (He).

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι οι υπερκαινοφανείς που ανήκουν στον τύπο Ιa, παρουσιάζουν την ίδια λαμπρότητα, κάτι που χρησιμοποιείται για την ακριβή καταμέτρηση μεγάλων αποστάσεων στο σύμπαν. Το γεγονός αυτό (και μαζί του οι κοσμικές αποστάσεις και όσα γνωρίζουμε για τους υπερκαινοφανείς) τέθηκε υπό αμφισβήτηση από την ανακάλυψη του SN 2003fg (Champagne Supernova), τον Απρίλιο του 2003, ο οποίος είχε διπλάσια λαμπρότητα της αναμενόμενης και μάζα μεγαλύτερη του Ορίου Chandrasekhar (~2 ηλιακές μάζες). Ευτυχώς, καθώς φαίνεται, ο υπερκαινοφανής αυτός αποτελεί μαλλον εξαίρεση για τους υπερκαινοφανείς τύπου Ia, παρά κανόνα.

Ας σημειωθεί ότι σε κάποια σημεία του ουράνιου στερεώματος έχουν εντοπιστεί υπερκαινοφανείς που δεν ταξινομούνται σε καμία από τις παραπάνω κατηγορίες, όπως ο SN 2005E, ο οποίος εντοπίστηκε το 2005. Η έκρηξή του απελευθέρωσε τεράστιες ποσόσητες Τιτανίου και Ασβεστίου στον μεσοαστρικό χώρο. Ο τύπος αυτός υπερκαινοφανών θα μπορούσε να εξηγήσει την μεγάλη συγκέντρωση ασβεστίου στο Σύμπαν, που αποτελεί μυστήριο για τους αστρονόμους, αφού δεν μπορεί να ερμηνευτεί από τις εκρήξεις που ανήκουν στους τύπους που προαναφέρθηκαν.

Μηχανισμος Εκρηξης Υπερκαινοφανους


Η εξήγηση της έκρηξης των υπερκαινοφανών, της ύστατης ουσιαστικά προσπάθειας των μεγάλων αστέρων να αποφύγουν την ολοκληρωτική Βαρυτική Κατάρρευση εκτοξεύοντας μεγάλες ποσότητες ύλης στον Μεσοαστρικό Χώρο, αποδείχθηκε μια επίπονη διαδικασία για τους επιστήμονες, αποτελώντας μυστήριο για την Αστροφυσική. Η χρήση των υπερυπολογιστών συντέλεσε αποφασιστικά στην θεωρητική παρακολούθηση της συμπεριφοράς των εσωτερικών φλοιών των Αστέρων, στα τελευταία στάδια της ζωής τους.

Έχουν προταθεί διάφορες θεωρίες οι οποίες αναφέρονται τόσο στην εξέλιξη μοναχικών αστέρων μεγάλης μάζας (Υπερκαινοφανείς τύπου Ib, Ic, ΙΙ), όσο και στην εξέλιξη διπλών αστρικών συστημάτων (Υπερκαινοφανείς τύπου Ιa). Η πρώτη από αυτές προτάθηκε το 1934 από τους αστροφυσικούς Walter Baade και Fritz Zwicky. Παρ’ όλα αυτά πρέπει να τονιστεί ότι ο φυσικός μηχανισμός έκρηξης των υπερκαινοφανών δεν είναι ακόμη απολύτως διαφανής.

Εξέλιξη μοναχικού αστέρα μεγάλης μάζας (Υπερκαινοφανής τύπου II, Ib/c)

Για μοναχικούς Αστέρες με μάζα από 5 έως και 10 φορές αυτήν του Ήλιου, φαίνεται πως η έκρηξη είναι αποτέλεσμα της σύντηξης του άνθρακα στον κεντρικό πυρήνα σύμφωνα με τις εξισώσεις:

Οι αντιδράσεις αυτές απελευθερώνουν μεγάλα ποσά ενέργειας. Επειδή γίνονται με ολοένα επιταχυνόμενο ρυθμό, οδηγούν στην έκρηξη του άστρου και συγκεκριμένα σε υπερκαινοφανή τύπου ΙΙ. Αν ο πυρήνας του άστρου δεν διαλυθεί με την βίαιη αυτή έκρηξη, το κομμάτι του που απομένει, εξελίσσεται συνήθως σε έναν αστέρα νετρονίων.

Καλλιτεχνική αναπαράσταση αστέρα Νετρονίων

Για τους μεγαλύτερους Αστέρες, με μάζα που υπερβαίνει τις 10 ηλιακές μάζες, τα πράγματα βαίνουν διαφορετικά. Όταν ένα τέτοιο Άστρο εξαντλήσει όλα τα ενεργειακά του αποθέματα, έχει δημιουργήσει έναν πυρήνα αδρανούς σιδήρου, με μάζα μεγαλύτερη από το όριο Chandrasekhar.

Εφόσον η βαρυτική πίεση δεν αντισταθμίζεται πλέον από την πίεση της ακτινοβολίας, η Υδροστατική Ισορροπία του πυρήνα διαταράσσεται (στα εξωτερικά στρώματα του αστέρα διατηρείται καθώς καίγονται εκεί ελαφρύτερα στοιχεία) και αρχίζει μια ταχεία Βαρυτική Κατάρρευση, που έχει ως αποτέλεσμα την υπερσυμπύκνωση της ύλης σε αυτόν και την υπερθέρμανση του άστρου σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 8·109 Κ. Ο σίδηρος φωτοδιασπάται σε σωματίδια α και νετρόνια σύμφωνα με την εξίσωση

Στη συνέχεια φωτοδιασπάται και το ήλιο:

Οι παραπάνω αντιδράσεις αυτές είναι έντονα ενδόθερμες, δηλαδή απορροφούν ενέργεια, γεγονός που επιφέρει παύση της αύξησης της θερμοκρασίας και της πίεσης στον πυρήνα και επιτάχυνση της βαρυτικής κατάρρευσης, που διαρκεί μόλις λίγα δευτερόλεπτα. Αν η μάζα του Αστέρα είναι μικρότερη των 25 ηλιακών μαζών (όριο σχηματισμού μελανής οπής) τότε η πορεία που ακολουθεί το Άστρο μέχρι την μεγαλειώδη του ανάλαμψη εξελίσσεται ραγδαία.

Τα ηλεκτρόνια που συμπεριφέρονται πλέον σχετικιστικά «συμπιέζονται» στον πυρήνα κι ενώνονται με τα πρωτόνια σχηματίζοντας νετρόνια και νετρίνα:

Τα νετρίνα που διαφεύγουν μεταφέρουν ενέργεια προς τα εξω επιταχύνοντας ακόμη περισσότερο την βαρυτική κατάρρευση του αστρικού πυρήνα.

H πυκνότητα των κεντρικών περιοχών φτάνει τα 4•1014 Kg•m-3, όριο στο οποίο η ύλη γίνεται αρκετά αδιαφανής ακόμη και για τα νετρίνα, τα οποία εγκλωβίζονται προσωρινά μέσα στον πυρήνα. Εφόσον όμως τα νετρίνα ήταν αυτά που μετέφεραν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του Αστέρα στο περιβάλλον του, με την παγίδευσή τους, ο μηχανισμός διάχυσης της ενέργειας επιβραδύνεται σημαντικά. Η πίεση του εκφυλισμένου αερίου νετρονίων που έχει πλέον δημιουργηθεί στον πυρήνα σταματά την βαρυτική του κατάρρευση.

Τα εξωτερικά στρώματα του αστέρα αρχίζουν τώρα να καταρρέουν προς τον «σκληρό», εκφυλισμένο πυρήνα (με ταχύτητες που φτάνουν τα 70.000 km/sec). Η ανάκρουση των καταρρέοντων εξωτερικών αέριων στρωμάτων του αστέρα από τον πυρήνα, η απότομη απελευθέρωση βαρυτικής ενέργειας (λόγω της κατακλυσμιαίας βαρυτικής κατάρρευσης) και τα νετρίνα (που τελικά καταφέρνουν να είναι οι πρώτοι «δραπέτες» από το σκηνικό της καταστροφής), δημιουργούν ένα τεράστιας ισχύος κρουστικό κύμα (shock wave), που μεταδίδεται ταχυτατα προς τα έξω, προκαλώντας έκρηξη της ύλης γύρω από τον πυρήνα. Η έκρηξη αυτή παρασύρει οριστικά προς το διάστημα ακόμη και τα τα εξωτερικά στρώματα του αστέρα.

Η αύξηση της θερμοκρασίας λόγω του κρουστικού κύματος είναι τεράστια. Σε αυτές τις συνθήκες είναι δυνατή η πραγματοποίηση των ενδόθερμων πυρηνικών αντιδράσεων σύνθεσης βαρύτερων του σιδήρου στοιχείων.

Το κεντρικό τμήμα του αρχικού πυρήνα που απομένει της έκρηξης, συνήθως εξελίσσεται σε Αστέρα Νετρονίων.

Εξέλιξη κλειστού δυαδικού συστήματος αστέρων (Υπερκαινοφανής τύπου Ia)

Για τους υπερκαινοφανείς τύπου Ιa, η θεωρία προτείνει ότι προέρχονται από διπλά συστήματα αστέρων από τα οποία ο πρωτεύων είναι ένας Λευκός Νάνος Άνθρακα – Οξυγόνου και ο δευτερεύων, ένας ενήλικας αστέρας της Κύριας Ακολουθίας ή ένας Ερυθρός Γίγας.

Μετά από μία μακρόχρονη ροή μάζας από τον συνοδό αστέρα προς τον λευκό νάνο (διάρκειας εκατομμυρίων ετών), και πιθανότατα αμέτρητες καινοφανείς αναλάμψεις, η μάζα του λευκού νάνου αυξάνεται αργά. Αυτό προκαλεί την συστολή του αστέρα και την άνοδο της θερμοκρασίας του. Η πίεση της βαρύτητας διαρκώς αυξάνεται μέχρι το σημείο εκείνο στο οποίο ακόμη και η πίεση των εκφυλισμένων ηλεκτρονίων δεν μπορεί να την εξισορροπήσει. Το σημείο οριοθετεί την μέγιστη προσαύξηση μάζας του λευκού νάνου και είναι το γνωστό όριο Chandrasekhar (1,4 ηλιακές μάζες).

Μόλις ο αστέρας περάσει το όριο αυτό, αρχίζει ταχεία βαρυτική κατάρρευση. Η μετατροπή βαρυτικής δυναμικής ενέργειας σε θερμική αυξάνει τη θερμοκρασία στους 6·108 K, οπότε αναφλέγεται ο Άνθρακας. Η ανάφλεξη είναι ουσιαστικά ανεξέλεγκτη, με την αύξηση της θερμοκρασίας του αστέρα και την αύξηση του ρυθμού των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων να αλληλοτροφοδοτούνται.

Η ειδοποιός διαφορά σε σχέση με την καινοφανή θερμοπυρηνική ανάφλεξη είναι ότι ενώ αυτή συμβαίνει σε ένα λεπτό επιφανειακό στρώμα του λευκού νάνου, η ανάφλεξη του άνθρακα στον υποψήφιο υπερκαινοφανή εκτείνεται σε ολόκληρο τον λευκό νάνο, ο οποίος -έστω και προσωρινά- μοιάζει να αναγεννάται. Μέσα σε ένα δευτερόλεπτο ολόκληρος ο αστέρας αναφλέγεται.

Οι ταχείες αντιδράσεις σύντηξης μετατρέπουν ένα μεγάλο κλάσμα της μάζας του άστρου σε βαρύτερα στοιχεία όπως ο σίδηρος και το Νικέλιο. Η supernova Ia έκρηξη εκτοξεύει τα θραύσματα του λευκού νάνου στο διάστημα, με ταχύτητες που υπερβαίνουν τα 20.000 km/s. Ο κύριος αστέρας καταστρέφεται εντελώς, αφήνοντας τον συνοδό αστέρα να συνεχίσει, ως μοναχικός γίγαντας, την εξέλιξή του προς τον ήρεμο θάνατο ενός λευκού νάνου.

Η σημασια των supernovae


Αν θα ήθελε κάποιος να επισημάνει την σημασία των υπερκαινοφανών για την ζωή μας, δεν θα ήταν καθόλου υπερβολικό να πει πως σε αυτά ακριβώς τα ουράνια σώματα οφείλουμε την ύπαρξή μας.

Πράγματι η θεωρία επισημαίνει ότι τα μόνα στοιχεία που ήταν δυνατόν να συντεθούν στα πρώτα στάδια της δημιουργίας του Σύμπαντος, ήταν το Υδρογόνο (Η) και το Ήλιο (He). Οι μοναδικές περιοχές του γνωστού Σύμπαντος στις οποίες δημιουργούνται τα βαρύτερα στοιχεία, εντοπίζονται στο εσωτερικό των άστρων. Και ο καλύτερος τρόπος να διασκορπιστούν στον μεσοαστρικό χώρο, είναι οι εκρήξεις των υπερκαινοφανών αστέρων. Εξάλλου, η συμπίεση του μεσοαστρικού αερίου από τα ωστικά κύματα που παράγονται κατά τις εκρήξεις των υπερκαινοφανών, είναι δυνατόν να αποτελέσει την απαρχή για την δημιουργία νέων αστέρων.

Εφόσον λοιπόν γνωρίζουμε ότι από αυτό ακριβώς το μεσοαστρικό αέριο σχηματίζονται οι νέες γενιές αστέρων (όπως ο ήλιος μας) με συστήματα πλανητών (όπως η Γη), είναι προφανές ότι όλα τα βαριά μέταλλα τα οποία συναντάμε στο ηλιακό σύστημα, και συγκεκριμένα στη Γη, και τα οποία είναι άμεσα συνεδεμένα με τη μορφή του κόσμου μας και με αυτήν την εμφάνιση της ζωής, είναι προϊόντα κάποιου (ή κάποιων) υπερκαινοφανούς αστέρα που εξερράγη πάρα πολλά χρόνια πριν στην γειτονιά μας. Συνεπώς δεν αποτελεί καθόλου σχήμα λόγου η φράση «είμαστε φτιαγμένοι από αστερόσκονη».

Η «υπερκαινοφανης» απειλη


Δεν θα ήταν και τόσο παρακινδυνευμένο να αναφερθεί ότι ένας κοντινός στην Γη υπερκαινοφανής αστέρας θα μπορούσε με την ανάλαμψή του να την καταστρέψει. Μάλιστα ο κίνδυνος εξαφάνισης της ζωής στη Γη από ένα τέτοιο γεγονός, έχει καταταχθεί στα δέκα πλέον «επικίνδυνα» ενδεχόμενα. Όμως, όπως φαίνεται, έχει σχετικά μικρή πιθανότητα να συμβεί και χρονικά τοποθετείται στο απώτατο μέλλον.Όπως έχει προαναφερθεί, η έκρηξη ενός supernova απελευθερώνει στον μεσοαστρικό χώρο τεράστια ποσά ύλης και ενέργειας. Η Ηλεκτρομαγνητική Ενέργεια που ακτινοβολείται κείται τόσο στην ορατή περιοχή του φάσματος, όσο και στην περιοχή των υπεριωδών ακτίνων καθώς και των ακτίνων Χ και γ.Έτσι λοιπόν, μια τέτοιας ισχύος έκρηξη σε έναν μεταβλητό Αστέρα, που βρίσκεται σε απόσταση, από την Γη, μικρότερη των 25 ετών φωτός (όριο ασφαλείας σύμφωνα με τις εκτιμήσεις της ΝΑSA, το οποίο ενέχει μεγάλο περιθώριο σφάλματος και διαφέρει αρκετά σε διάφορες πηγές βιβλιογραφίας), είναι δυνατόν να καταστρέψει το στρώμα του όζοντος στην Στρατόσφαιρα, το οποίο αποτελεί το προστατευτικό φίλτρο της Γης στην Υπεριώδη Ακτινοβολία. Κάτι τέτοιο θα ήταν ιδιαίτερα επικίνδυνο για την Γήινη Βιόσφαιρα καθώς, χωρίς το φίλτρο αυτό, οι οργανισμοί που ζουν στην ξηρά και σε ρηχά ύδατα, είναι εκτεθειμένοι στις υπεριώδεις ακτίνες, οι οποίες είναι καταστροφικές για την δομή του DNA, προκαλώντας ανεπίστροφες γενετικές μεταλλάξεις.

Για τον λόγο αυτό, κάποιοι ερευνητές συνδέουν τη μαζική εξαφάνιση που συνέβη στο τέλος της Ορδοβίκιας Περιόδου (περίπου 440-450 εκατομμύρια έτη πριν) με την ανάλαμψη ενός supernova στη γειτονιά του Ήλιου, χωρίς ωστόσο να υπάρχουν πειστικές αποδείξεις προς τούτο.

Σύμφωνα με τον Narciso Benitez του Πανεπιστημίου Johns Hopkins στις ΗΠΑ, οι εκρήξεις υπερκαινοφανών, που συνέβησαν περί τα 2 εκατομμύρια έτη πριν, στο διαστρικό νέφος Sco-Cen (το οποίο υποχωρεί στην κατεύθυνση των αστερισμών Σκορπιού – Κενταύρου και την εποχή εκείνη απείχε 130 έτη φωτός από την Γη), ήταν εκείνες που προκάλεσαν κατακλυσμικές αλλαγές στο Γήινο οικοσύστημα. Η μεγάλης κλίμακας θαλάσσια εξάλειψη της περιόδου εκείνης (Πλειόκαινη – Πλειστόκαινη Περίοδος) αποδίδεται από τους παλαιοντολόγους στην καταστροφή της οζονόσφαιρας από κοσμικές ακτίνες και στην επακόλουθη είσοδο στην ατμόσφαιρα υπεριώδους ακτινοβολίας. Κάτι τέτοιο ταιριάζει με το σενάριο των εικαζόμενων επιπτώσεων στη γη μιας «κοντινής» έκρηξης υπερκαινοφανούς και ενισχύεται από τις αποθέσεις ραδιενεργού Σιδήρου-60 (Fe60) σε πολύ βαθειά ιζήματα, η ηλικία των οποίων υπολογίζεται στα 2 εκατομμύρια έτη. Το συγκεκριμένο ισότοπο του σιδήρου, σύμφωνα με τους επιστήμονες, δεν υπήρχε στη Γη αλλά οφείλεται στις εκρήξεις των Υπερκαινοφανών.

Ένας πολύ γνωστός σε μας υποψήφιος supernova, είναι ο ασταθής ερυθρός υπεργίγαντας Βετελγόζης (Betelgeuse), ο οποίος βρίσκεται σε απόσταση περίπου 640 ετών φωτός από την Γη.

Ένας άλλος σημαντικός αλλά ασυνήθιστος υποψήφιος, είναι ο αστέρας Ήτα, στον αστερισμό της Τρόπιδος, σε απόσταση 7.500 ετών φωτώς από την Γη. Ο τεράστιος αυτός αστέρας που έχει μάζα περίπου 120 φορές τη μάζα του Ηλίου, βρίσκεται σε κατάσταση ισχυρής αστάθειας και αναμένεται «σύντομα» να εκραγεί ως υπερκαινοφανής.

Ο υπερκαινοφανης του Ταυρου


Στις 4 Ιουλίου του 1.054 μ.Χ. παρατηρήθηκε από Κινέζους αστρονόμους, μία μεγαλειώδης έκρηξη υπερκαινοφανούς, κοντά στο άστρο ζ του Ταύρου. Στα Χρονικά της Σινικής ο υπερκαινοφανής του Ταύρου αναφέρεται ως ο «επισκέπτης αστέρας». Παρατηρήθηκε από Κινέζους και Ιάπωνες αστρονόμους και θεωρείται ότι θα πρέπει να τον είχαν καταγράψει και Ινδοί αστρονόμοι.Η συστηματικότερη καταγραφή του έγινε από τον Κινέζο αστρονόμο Γιανγκ Βέι Τεκ, σύμφωνα με την οποία η φαινόμενη λαμπρότητά του ήταν μεγαλύτερη από εκείνην της Αφροδίτης. Για 23 ημέρες μετά την ανάλαμψή του ο αστέρας ήταν ορατός ακόμη και κατά τη διάρκεια της ημέρας και ορατός τη νύκτα για δύο περίπου έτη, περνώντας εν συνεχεία στην «αφάνεια».Η έκρηξη αυτή πιστεύουμε ότι δημιούργησε το γνωστό νεφέλωμα του Καρκίνου (Crab nebula, NGC 1952 Ή Μ1) με νηματώδη υφή, ορατό ακόμη και με ερασιτεχνικό τηλεσκόπιο, το οποίο απέχει από τη Γη περί τα 6.300 έτη φωτός, έχει διάμετρο περίπου 10 έτη φωτός και εξακολουθεί να διαστέλλεται με ταχύτητα της τάξης των 103 km/sec.

Το νεφέλωμα του Καρκίνου

Υπάρχουν πράγματι ισχυρές ενδείξεις ότι το συγκεκριμένο Νεφέλωμα αποτελεί υπόλειμμα (supernova remnant) του υπερκαινοφανούς του Ταύρου, όπως τα αποτελέσματα συστηματικών παρατηρήσεων και καταγραφών του Νεφελώματος του Καρκίνου, που καταδεικνύουν ότι το φως της ανάλαμψής του έφθασε στην Γη 9 αιώνες πριν. Υπέρ της άποψης αυτής συνηγορούν και οι υπολογισμοί περί του μεγέθους και της ταχύτητας διαστολής του Νεφελώματος, του διάσημου αστρονόμου Edwin Powell Hubble.

Το 1968 εντοπίστηκε στο κέντρο του νεφελώματος, βόρεια του άστρου ζ του Ταύρου, αστέρας νετρονίων (pulsar), με ακτίνα 10 km και περίοδο περιστροφής 0,0331 sec. Το νεφέλωμα αποτελεί πηγή εκπομπής ακτίνων Χ.

Ο «ξεχωριστος» Υπερκαινοφανης SN 1987A


Εντοπίστηκε στις 24 Φεβρουαρίου 1987, από τον αστρονόμο Ian Shelton, στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου (μικρός συνοδός γαλαξίας του Milky Way, ορατός από το Νότιο Ημισφαίριο) κοντά στο νεφέλωμα Ταραντούλα. Ο Υπερκαινοφανής αυτός αποτελεί μία από τις φωτεινότερες αναλάμψεις αστέρων τους τελευταίους 4 αιώνες, λάμποντας 108 φορές περισσότερο από τον Ήλιο.

Ο Υπερκαινοφανής SN1987A

Λόγω της μικρής του απόστασης από την Γη (163.000 έτη φωτός) και του τεχνολογικού μας εξοπλισμού, αποτελεί τον πρώτο κοντινό υπερκαινοφανή που παρατηρήθηκε αναλυτικά μετά από αυτόν του Kepler (ανέλαμψε το 1604 στον αστερισμό του Οφιούχου) και τον περισσότερο μελετημένο supernova όλων των εποχών.Οι παρατηρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε Παγκόσμιο Επίπεδο, εντόπισαν ακτίνες γ, Κοβάλτιο (Co), Νικέλιο (Ni), Πυρίτιο (Σι), οξυγόνο (O) και άλλους βαρύτερους πυρήνες και αρχικά επιβεβαίωσαν τις θεωρητικές προβλέψεις που υποδεικνύουν πως κατά τη διάρκεια μιας υπερκαινοφανούς έκρηξης παράγονται βαρύτερα μέταλλα. Για παράδειγμα, ο ραδιενεργός σίδηρος που εκτοξεύτηκε στον μεσοαστρικό χώρο από την έκρηξη αυτή, υπολογίζεται σε 20.000 Γήινες μάζες.Επίσης, τα νετρίνα που ανιχνεύτηκαν από αυτόν τον υπερκαινοφανή, επιβεβαίωσαν την σχετική θεωρία για τις συνθήκες θερμοκρασίας και πυκνότητας που επικρατούν στο εσωτερικό ενός υπερκαινοφανή και τον τρόπο δημιουργίας ενός νετρονιακού αστέρα.

Οι εικόνες από το Hubble Space Telescope αποκαλύπτουν ορισμένες ενδιαφέρουσες λεπτομέρειες:

  • Έναν λαμπερό αέριο δακτύλιο γύρω από το αστέρι, με διάμετρο περίπου 1 έτους φωτός. Εκτιμάται πως ο δακτύλιος δημιουργήθηκε τουλάχιστον 20.000 χρόνια πριν την ανάλαμψη του άστρου. Οι ακτίνες Χ που παρήγαγε η έκρηξη, ιόνισαν το αέριο του δακτυλίου, καθιστώντας το λαμπερό.
  • Δύο εξωτερικούς δακτυλίους αερίου που φωτοβολεί.
  • Μία κεντρική δομή σε σχήμα αλτήρα η οποία δημιουργήθηκε από δύο περιοχές θραυσμάτων στο κέντρο του αστέρα, απομακρυνόμενες η μία από την άλλη με ταχύτητα 30 εκατομμυρίων χιλιόμετρων την ώρα.
  • Την σύγκρουση του ωστικού κύματος της αστρικής έκρηξης με το αέριο του στενού δακτυλίου γύρω από το άστρο, η οποία προκαλεί την θέρμανση και την φωτοβολία του.

Οι μετρήσεις που προβλημάτισαν τους ερευνητές ήταν αυτές που αφορούσαν στο ορατό φως που ακτινοβολούσε ο υπερκαινοφανής και το οποίο ήταν 10 φορές ασθενέστερο από το θεωρητικά προβλεπόμενο. Η άρση της αντίφασης ήρθε από το συμπέρασμα πως η συγκεκριμένη έκρηξη προήλθε από τον μπλε γίγαντα Sanduleac -69° 202a, ένα μάλλον αμυδρό για εμάς αστέρι12ου μεγέθους, με διάμετρο 50 φορές μεγαλύτερη της ηλιακής, επιφανειακή θερμοκρασία περίπου 20.000 Κ και λαμπρότητα 100.000 μεγαλύτερη αυτής του Ήλιου. Λόγω της μεγάλης μάζας του, ο πρόδρομος αστέρας, υπολογίζεται πως είχε ηλικία 20•106  έτη, δηλαδή η εξέλιξή του ήταν ραγδαία.

Καθώς στο σημείο της έκρηξης δεν έχει εντοπιστεί ακόμη αστέρας νετρονίων, οι επιστήμονες εξετάζουν δύο ενδεχόμενα:

  • είτε τα πυκνά νέφη σκόνης που περιβάλλουν τον σχηματισμένο αστέρα νετρονίων τον καθιστούν αόρατο σε μας,
  • είτε ότι ο αστέρας απορρόφησε μεγάλη ποσότητα ύλης από το περιβάλλον του, ώστε πέρασε το όριο σχηματισμού μελανής οπής. Στην περίπτωση αυτή η πίεση των νετρονίων δεν μπόρεσε να συγκρατήσει την οριστική βαρυτική κατάρρευση και ο αστέρας κατέληξε σε Μελανή Οπή (black hole).

Πηγή

Οδύσσεια του διαστήματος: Το Διαπλανητικό Δίκτυο Μεταφοράς.

Τα διαπλανητικά ταξίδια και το αόρατο υφαντό του Μεσοπλανητικού Χώρου.

Ξεκινώντας μια καινούρια αναζήτηση στον Μεσοπλανητικό Χώρο, ας θυμηθούμε την τελευταία παράγραφο της προηγούμενης ανάρτησης

«Το επόμενο στάδιο των προσπαθειών επίτευξης της μέγιστης «ενεργειακής οικονομίας» των διαστημικών αποστολών, έχει σημείο εκκίνησης τις προσπάθειες επίλυσης από τον εξέχοντα Γάλλο μαθηματικό Jules-Henri Poincaré (1854 – 1912) του προβλήματος των τριών σωμάτων, σταθμούς τα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία, χαοτικά χαρακτηριστικά και αποτέλεσμα την αποκάλυψη ενός δαιδαλώδους ουράνιου δικτύου, της Διαπλανητικής Λεωφόρου».

Ας προσπαθήσουμε, λοιπόν, να εξιχνιάσουμε το μυστήριο του αόρατου υφαντού λαβυρίνθου του Ηλιακού συστήματος, που πλέκει ο αργαλειός της βαρύτητας.

Διαπλανητικό Δίκτυο Μεταφοράς

Το Διαπλανητικό Δίκτυο Μεταφοράς(Interplanetary Transport Network) ή αλλιώς η Διαπλανητική Λεωφόρος (Interplanetary Superhighway), που επινοήθηκε από τον Martin Lo και τον Shane Ross, είναι αυτό ακριβώς που περιγράφει το όνομά του: Ένας διαστημικός δρόμος στον Μεσοπλανητικό Χώρο του Ηλιακού μας Συστήματος, που μοιάζει με ένα χαοτικό δίκτυο εικονικών σηράγγων και αγωγών, περιελισσόμενο γύρω από τον Ήλιο, τους Πλανήτες και τους δορυφόρους, το οποίο ελαχιστοποιεί την ενέργεια που απαιτείται από ένα αντικείμενο για να τα διασχίσει. Αυτό σημαίνει ότι μειώνονται δραματικά τα καύσιμα που χρειάζεται ένας διαστημικός ταξιδιώτης για την εξερεύνηση του Ηλιακού Συστήματος, με την προϋπόθεση βέβαια, να είναι υπομονετικός, αφού -όπως θα δούμε στην συνέχεια- το κέρδος σε ενέργεια συνεπάγεται μια ουδόλως ευκαταφρόνητη χρονική ζημιά!

Το ΙΤΝ βασίζεται τόσο στην βαρυτική ώθηση όσο και στις χαμηλής ενέργειας διαδρομές γύρω και ανάμεσα στα σημεία Lagrange που χαρακτηρίζουν την βαρυτική αλληλεπίδραση δύο αλληλεπιδρώντων ουρανίων σωμάτων.

Σύμφωνα με τον συντάκτη του Engineering and Science Magazine, Douglas L. Smith, «Τα γρηγορότερα μονοπάτια του διαστήματος είναι όλα δρόμοι με διόδια (η χρήση τους κοστίζει μεγάλη ποσότητα καυσίμου), την στιγμή που μπορείς να οδηγήσεις στην Διαπλανητική Λεωφόρο, σχεδόν δωρεάν. Η βαρύτητα κάνει όλη τη δουλειά, ώστε το σύστημα να μοιάζει περισσότερο με ένα καλοστημένο σύνολο από αυτοκινητάκια Hot Weels. Αυτό που έχεις να κάνεις, είναι απλά να αφήσεις να φύγει το αυτοκίνητο προς το κατάλληλο σημείο».

Στην πραγματικότητα βέβαια, τα πράγματα είναι περισσότερο περιπλεγμένα, αλλά -ακόμη κι έτσι- η περιγραφή του Smith είναι μια γλαφυρή απεικόνιση του ΙΤΝ.

Παρόλο που οι περισσότερες διαστημικές αποστολές που προηγήθηκαν της επινόησής του Martin Lo, επωφελήθηκαν από την βαρυτική ώθηση, η εργασία του αποδείχθηκε καινοτόμος, αφού έκανε χρήση ενός άλλου παράγοντα: της έλξης του ήλιου στους πλανήτες και της έλξης των πλανητών στους δορυφόρους τους, λαμβάνοντας έτσι υπόψιν όλα τα βαρυτικά πεδία που δρουν στο ηλιακό σύστημα, με κυρίαρχο αυτό του ήλιου.

Σε πολλά σημεία του Μεσοπλανητικού Χώρου, οι δυνάμεις μεταξύ των ουρανίων σωμάτων, από διαφορετικές κατευθύνσεις, σχεδόν αλληλοεξουδετερώνονται, αφήνοντας «μονοπάτια» μέσα από τα βαρυτικά πεδία, στα οποία ένα διαστημικό σκάφος μπορεί να ταξιδέψει σχεδόν δωρεάν. Ακούγεται παράδοξο, όμως μοιάζει οι διαστημικές αποστολές να ακολουθούν την παλιά, δοκιμασμένη τακτική των ναυτικών που χρησιμοποιούσαν την δύναμη τόσο των αέριων όσο και των θαλάσσιων ρευμάτων για να φτάσουν στον προορισμό τους.

Σε κάθε ζευγάρι ουράνιων σωμάτων του Ηλιακού Συστήματος (Ήλιος – Πλανήτης, Πλανήτης – Δορυφόρος κ.ο.κ.) αντιστοιχούν 5 σημεία ισορροπίας, τα λεγόμενα σημεία Lagrange, τα οποία κείνται στο τροχιακό του επίπεδο και όπου οι βαρυτικές δυνάμεις αλληλοεξουδετερώνονται. Από αυτά, τα L1, L2 και L3 είναι σημεία ασταθούς ισορροπίας (δηλαδή ένα αντικείμενο που βρίσκεται σε αυτά μπορεί να μετακινηθεί σημαντικά με την παραμικρή ώθηση) ενώ τα σημεία L4 και L5 είναι σημεία ευσταθούς ισορροπίας (τα αντικείμενα παραμένουν αγκυροβολημένα εκεί), που μπορεί να είναι χρήσιμα για την τοποθέτηση εκεί διαστημικών τηλεσκοπίων.

Τα 5 Λαγκρανζιανά σημεία του συστήματος Ήλιος – Γη. To πρώτο σημείο (L1) βρίσκεται στην ευθεία που ενώνει τα δύο ουράνια σώματα, ανάμεσα στην Γη και τον Ήλιο, δηλαδή στην φωτεινή της πλευρά.
Το δεύτερο σημείο (L2) βρίσκεται στην ίδια ευθεία και στην σκοτεινή πλευρά της Γης. Το τρίτο σημείο (L3) είναι συμμετρικό της Γης, με κέντρο συμμετρίας τον Ήλιο, ακολουθώντας την τροχιά της. Το τέταρτο (L4) και το πέμπτο (L5) σημείο κείνται πολύ κοντά στην Γήινη τροχιά, σε γωνία 60o ως προς τον άξονα Γης-Ήλιου, πάνω και κάτω από την Γη, αποτελούν δηλαδή κορυφές των ισόπλευρων τριγώνων που έχουν βάση το ευθύγραμμο τμήμα ήλιος-γη.

Στα δύο πρώτα σημεία, μπορούν να τεθούν σε τροχιά διαστημικά σκάφη, με πολύ μικρή κατανάλωση καυσίμων κι επιπλέον αποτελούν ορόσημαγια την Διαπλανητική Λεωφόρο, που απλώνεται σαν ένας γιγάντιος λαβύρινθος γύρω από τον ήλιο.

Για να μπορέσει να χαράξει ο Lo την διαπλανητική λεωφόρο (Ιnterplanetary Superhighway), χαρτογράφησε κάποιες πιθανές πορείες σκαφών μεταξύ των σημείων Lagrange, μεταβάλλοντας την απόσταση στην οποία θα έφτανε ένα διαστημικό σκάφος και την ταχύτητά του. Διαπίστωσε έτσι, ότι οι πιθανές διαδρομές σχηματίζουν διαστημικά κανάλια στον Μεσοπλανητικό Χώρο, περίπου όπως τα νήματα πλέκονται μεταξύ τους σχηματίζοντας ένα σχοινί.

Ας αφήσουμε όμως για λίγο πίσω μας την Νευτώνεια Λογική που χρησιμοποιήσαμε για την περιγραφή της βαρυτικής σφενδόνης κι ας φανταστούμε τον Μεσοπλανητικό Χωρόχρονο ως ένα τεράστιο ελαστικό φύλλο από καουτσούκ… ή σαν ένα σεντόνι. Σε μία τέτοια, δισδιάστατη αναπαράσταση, ένας πλανήτης μοιάζει με μια τεράστια μπάλα του μπόουλινγκ που στρεβλώνει τον Χωρόχρονο, δημιουργώντας ένα βαρυτικό πηγάδι, τόσο βαθύτερο όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του.

Στο ηλιακό μας σύστημα οι πλανήτες αντιστοιχούν σε κοιλότητες-πηγάδια με διαφορετικά βάθη, μικρά σχετικά με το κυρίαρχο Ηλιακό Βαρυτικό φρέαρ.

Αριστερά: Ουράνια σώματα σε κυκλική τροχιά γύρω από βαρυτικό πηγάδι (για παράδειγμα πλανήτες περιφερόμενοι γύρω από τον Ήλιο). Η συχνότητα της περιφοράς΄τους εξαρτάται από την ακτίνα της τροχιάς: όσο μικρότερη είναι η τροχιά, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνιακή συχνότητα που απαιτείται για την επίτευξη ισορροπίας.
Δεξιά: Η αναπαράσταση του βαρυτικού πεδίου που προκύπτει από την αλληλεπίδραση ενός ζεύγους μεγάλων ουρανίων σωμάτων, όπως ο Ήλιος και η Γη, μοιάζει με μία τεράστια χοάνη με μια μικρότερη χοάνη ενσωματωμένη σε αυτήν.
Στο ένθετο (πάνω δεξιά) φαίνεται η μικρή χοάνη καθώς περιφέρεται γύρω από την μεγάλη, όπως ακριβώς η Γη περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο. Ένα σώμα σε τροχιά γύρω από την μεγάλη χοάνη με την ίδια γωνιακή συχνότητα περιφοράς με την μικρή, μπορεί να ισορροπήσει σε δύο σημεία που αντιστοιχούν στα L1 και L2 Γήινα Λαγκραντζιανά Σημεία.
Δισδιάστατη απεικόνιση της παραμόρφωσης του Μεσοπλανητικού Χωροχρόνου παρουσία της Γης (αριστερά) και της Σελήνης (δεξιά). Μια διαστημοσυσκευή βρίσκεται στην περίπου επίπεδη περιοχή ανάμεσα στα δύο ουράνια σώματα, όπου εδράζεται το πρώτο σημείο Lagrange (L1), στο οποίο το Γήινο Βαρυτικό πεδίο εξισορροπεί το Σεληνιακό.

Για να καταφέρει ένα σώμα να απελευθερωθεί από ένα τέτοιο πηγάδι, πρέπει να δαπανήσει ενέργεια – τόσο περισσότερη, όσο βαθύτερη η χωροχρονική καμπύλωση

Τι θα συνέβαινε όμως αν μία διαστημοσυσκευή ισορροπούσε σε ένα σημείο καμπής, όπως αυτό που βρίσκεται στην περιοχή συνάντησης του γήινου με το ηλιακό φρέαρ και αντιστοιχεί στο πρώτο Λαγκρανζιανό σημείο για αυτά τα δύο ουράνια σώματα;

Προσομοίωση της κίνησης των πέντε Λαγκρανζιανών σημείων (κόκκινο) ενός πλανήτη (μπλε) που περιφέρεται γύρω από έναν αστέρα (κίτρινο), και το βαρυτικό δυναμικό στο επίπεδο της τροχιάς. 
(Από την wikipedia)

Κατ’ αρχάς είναι δυνατόν να θέσουμε την διαστημοσυσκευή μας σε τροχιά γύρω από το σημείο Lagrange (για περιορισμένο έστω χρονικό διάστημα), ώστε να περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο με ελάχιστο ενεργειακό κόστος. (Αυτό μπορούμε να το καταλάβουμε αν σκεφτούμε ότι το L1 περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο με την γωνιακή ταχύτητα περιφοράς της Γης όπως φαίνεται και στην παραπάνω προσομοίωση).

Αυτή ακριβώς η ιδιότητα των σημείων Lagrange, τα καθιστά ιδανικές περιοχές στάθμευσης για τα ανθρώπινα διαστημικά παρατηρητήρια. Το Πρώτο Γήινο Λαγκρανζιανό σημείο, με ανεμπόδιστη θέα προς τον ήλιο, είναι ιδανικό για την τοποθέτηση Ηλιακών Παρατηρητηρίων. Εξάλλου, το Δεύτερο Λαγκρανζιανό σημείο φαίνεται ήδη να συνωστίζεται από διαστημικά τηλεσκόπια. Δεν χρειάζεται και ιδιαίτερη φαντασία για να καταλάβει κανείς τον λόγο: το σημείο αυτό έχει ευρεία θέα στο διάστημα, μοιάζοντας σαν ένα ανοιχτό παράθυρο προς τον Κόσμο.

Επειδή βέβαια, όπως αναφέρθηκε, τα σημεία Lagrange είναι ασταθή, χρειάζεται διόρθωση της τροχιάς, σε μία χρονική κλίμακα 23 ημερών περίπου). 

Σε τροχιά γύρω από το Γήινο πρώτο Λαγκρανζιανό σημείο τέθηκε το διαστημοσκάφος Genesis (εικόνα), που εκτοξεύτηκε στις 8 Αυγούστου, 2001 για να συλλέξει μεμονωμένα άτομα του ηλιακού ανέμου. Ξεκίνησε την συλλογή στις 5 Δεκ. 2001 και ολοκλήρωσε την προσπάθεια στην 1 Απρ. 2004.
Η τροχιά του Genesis. Πραγματοποίησε 5 περιφορές γύρω από το L1 (2,5 περίπου έτη) κι επέστρεψε στην Γη τον Σεπτέμβριο του 2004. Η επιστροφή του δεν ήταν επιτυχημένη, καθώς το αλεξίπτωτο της κάψας που περιείχε το δείγμα δεν άνοιξε, με αποτέλεσμα να συντριβεί στην έρημο της Γιούτα. Χρειάστηκαν εκτενείς εργασίες αποκατάστασης, για ανακτηθεί μέρος του υλικού που είχε συλλέξει, οι οποίες περατώθηκαν με επιτυχία.
Τον Οκτώβριο του 2001, το διαστημοσκάφος WΜΑP
(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) της NASA, τέθηκε σε τροχιά
γύρω από το Λαγκρανζιανό σημείο (L2), ώστε να χαρτογραφήσει
τις μικροδιακυμάνσεις της μικροκυματικής Κοσμικής Ακτινοβολίας
Υπόβαθρου, σε μια προσπάθεια να δοκιμαστεί το κοσμολογικό μοντέλο
της Μεγάλης Έκρηξης που προβλέπει ότι η πυκνότητα της ύλης
στο πρώιμο σύμπαν δεν ήταν απολύτως ομοιόμορφη παντού.

Επιπροσθέτως, επειδή στα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία οι βαρυτικές δυνάμεις αλληλοεξουδετερώνονται, η παραμικρή κατάλληλη ώθηση θα μπορούσε να στείλει μία διαστημοσυσκευή, που σταθμεύει εκεί, προς την επιθυμητή κατεύθυνση, κάτι που -δυνητικά τουλάχιστον- είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τα μελλοντικά διαστημικά μας ταξίδια.

Τα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία αποτελούν κομβικές θέσεις, μέσω των οποίων μπορεί να επιτευχθεί ανέξοδη ενεργειακά μεταφορά μεταξύ διαφόρων πλανητικών τροχιών και συνεπώς ένα ιδανικό μελλοντικό προγεφύρωμα για τις επανδρωμένες αποστολές σε μακρινούς πλανήτες.

Παρόλο λοιπόν που στην καθημερινή μας ζωή τα σημεία ασταθούς ισορροπίας δεν τυγχάνουν ιδιαίτερης προσοχής, και παρόλο που και ιστορικά το ενδιαφέρον για τα L1 και L2 ήταν ελάχιστο, εξαιτίας ακριβώς της αστάθειάς τους, αποδεικνύονται ιδιαίτερα χρήσιμα για την χάραξη των ουράνιων δρόμων.

Λίγη… Ιστορία και οι βασικές αρχές σχεδίασης!

Η έρευνα για τις διαπλανητικές τροχιές χαμηλής ενέργειας που οριοθετούνται από τα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία, βασίστηκε κατ’ αρχάς στη θεωρητική δουλειά που ξεκίνησε στο τέλος του 19ου αι. o μεγάλος Γάλλος μαθηματικός Jules-Henri Poincaré (1854 – 1912), αντιμέτωπος με το πρόβλημα των τριών σωμάτων, ενός κλασικού προβλήματος της αστροδυναμικής, που αφορά στον καθορισμό των τροχιών τριών μαζών μεταξύ των οποίων η μόνη αλληλεπίδραση είναι η βαρυτική έλξη

Η προσπάθεια επίλυσης του προβλήματος αυτού, έθεσε τα θεμέλια της Μαθηματικής Θεωρίας των μη-Γραμμικών Δυναμικών Συστημάτων (Θεωρία του Χάους), και άνοιξε νέους δρόμους στην Ουράνια Μηχανική και τη Γαλαξιακή Δυναμική.

Σε μία πρώτη απλοποίηση για την προσεγγιστική λύση του προβλήματος, το τρίτο σώμα (ένα διαστημόπλοιο -φερ’ ειπείν- ή ένας κομήτης), η κίνηση του οποίου ουσιαστικά μας ενδιαφέρει, θεωρείται ότι έχει αμελητέα μάζα σε σχέση με αυτή των άλλων δύο. Έτσι, ενώ κινείται στο πεδίο τους δεν επηρεάζει την κίνησή τους. Έχουμε λοιπόν να κάνουμε με αυτό που στην βιβλιογραφία αναφέρεται ως το Περιορισμένο Πρόβλημα των Τριών Σωμάτων.

Για να απλοποιήσει ο Poincaré τους υπολογισμούς του και να βάλει τάξη στο «χάος» με το οποίο ήρθε αντιμέτωπος, οργάνωσε τις όμοιες τροχιές σε «πολλαπλότητες». (Μία τέτοια πολλαπλότητα, αποτελεί μία επιφάνεια του 6D φασικού χώρου, ο οποίος περιλαμβάνει 3 χωρικές διαστάσεις (x,y και z) και 3 διαστάσεις για την ταχύτητα (vx, vy και vz,)).

Ο Poincaré διαπίστωσε ότι οι οικογένειες τροχιών σχηματίζουν αναλλοίωτες πολλαπλότητες (ένα σώμα που ξεκινά να κινείται σε μία τέτοια επιφάνεια/πολλαπλότητα, παραμένει εκεί εσαεί, εκτός και του δώσουμε κατάλληλη ώθηση). 

Ο Poincaré πρόσεξε ότι αν μία ασταθής τροχιά είναι περιοδική, δημιουργεί μία πολλαπλότητα σε σχήμα καναλιού, που περιλαμβάνει όλα τα μονοπάτια που μπορεί κάποιος να ακολουθήσει, ώστε να διαφύγει από την τροχιά αυτή, χωρίς καμία μεταβολή στην ενέργειά του

Έτσι, αν θέλουμε να χαράξουμε την πορεία ενός διαστημοσκάφους που εγκαταλείπει την τροχιά του γύρω από το -ας πούμε- Δεύτερο Λαγκρανζιανό Γήινο σημείο, θα την παρακολουθήσουμε να ξεδιπλώνεται αργά σαν μια σπείρα τυλιγμένη κατά μήκος της επιφάνειας του καναλιού. Αυτό το είδος του καναλιού καλείται «ασταθής» πολλαπλότητα ενώ η αντίστροφη πολλαπλότητα (που οδηγεί προς την ασταθή τροχιά) καλείται -σχήμα οξύμωρο- «ευσταθής» πολλαπλότητα!

Επίπεδη απεικόνιση των αμετάβλητων πολλαπλοτήτων των τροχιών στα Λαγκρανζιανά σημεία του συστήματος Γη-Σελήνη. Τα βέλη υποδεικνύουν την κατεύθυνση της κίνησης. 
(a) Ασταθής αναλλοίωτη πολλαπλότητα 
(b) Ευσταθής αναλλοίωτη πολλαπλότητα.

Η πολυπλοκότητα του προβλήματος, αν και περιγραφικά φαίνεται απλό, είναι ιδιαίτερα μεγάλη, κι έτσι, για 100 χρόνια παρέμεινε «παγωμένο» περιμένοντας τους υπολογιστές να χαράξουν τα κανάλια που οδηγούν προς και από τα ασταθή Λαγκαρανζιανά σημεία. 

Το θέμα επανήλθε στο τέλος της δεκαετίας του ’60, όταν οι Charles C. Conley (μαθηματικός τότε στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin) και Robert P. McGehee (Μαθητής του Conley) πρόσεξαν ότι για το σύστημα Γη-Ήλιος και για κάθε ενεργειακό επίπεδο, υπάρχει μόνο μία περιοδική τροχιά γύρω από το L1 (και μία γύρω από το L2), που βρίσκεται εξ’ ολοκλήρου στο τροχιακό επίπεδο της Γης, καλούμενη τροχιά Lyapunov. Οι τροχιές αυτές ελέγχουν τις διαδρομές των σωμάτων γύρω από τα L1 και L2, με άλλα λόγια, ένας αργά-κινούμενος αστεροειδής μπορεί να πλησιάσει ή να εγκαταλείψει την Γη μόνο μέσω ενός καναλιού Lyapunov.

Kατά τον Martin Lo, η δυναμική των καναλιών αυτών είναι τόσο ισχυρή, ώστε αν αναζητήσεις ανάμεσα στις περιοδικές τροχιές γύρω από τα σημεία Lagrange μία μεταφορική τροχιά προς την Γη, η διαδρομή σου θα είναι εντελώς καθορισμένη από την ευσταθή πολλαπλότητα της περιοδικής τροχιάς.  Στην πραγματικότητα χρειάζεται απαγορευτικά μεγάλη ώθηση ώστε να την αποφύγεις!!

Ωστόσο η NASA, δύσπιστη αρχικά προς την νέα προοπτική, πείστηκε εν τέλει από τον Robert Farquhar να στείλει την πρώτη αποστολή σε Λαγκρανζιανό σημείο, το σκάφος Explorer 3

Η αποστολή από την NASA του International Sun-Earth Explorer 3 (ISEE3), το 1978, ήταν η πρώτη που χρησιμοποίησε τροχιές χαμηλής ενέργειας γύρω το πρώτο σημείο Lagrange, ώστε να μελετήσει τις ηλιακές εκλάμψεις και τις κοσμικές γ-αναλάμψεις. Αργότερα, το 1985, μετονομάστηκε σε International Comete Explorer (ICE) κι εστάλη για την πρώτη συνάντηση με κομήτη, τον Giacobini-Zinner. Οι ανοικτές τροχιές που φαίνονται στην εικόνα, σε σχήμα φιόγκου, είναι χαρακτηριστικές της διαδρομής μέσα από τα διαπλανητικά κανάλια. To ICE διέσχισε την ουρά του κομήτη στις 11 Σεπτεμβρίου, 1985, και συνέχισε για να συναντήσει τον κομήτη του Halley, το 1986.

Την δεκαετία του ’80 οι ερευνητές επανέφεραν στο προσκήνιο την θεωρία του Poincaré. Το ερώτημα που αναδύθηκε φυσικά αφορούσε στο πού κατέληγαν τα κανάλια που οριοθετούσαν οι πολλαπλότητές του. Θα μπορούσε κάποιος, χρησιμοποιώντας τα, να μεταβεί από τον έναν πλανήτη στον άλλο; Με άλλα λόγια, θα μπορούσε -για παράδειγμα- το εξερχόμενο ασταθές κανάλι από το Δεύτερο Γήινο Λαγκρανζιανό σημείο (L2) να τέμνει το ευσταθές εισερχόμενο κανάλι προς τον Πρώτο Λαγκρανζιανό σημείο του Άρη; Κάτι τέτοιο φυσικά θα μείωνε δραματικά τόσο την απαιτούμενη ισχύ του κινητήρα του διαστημοπλοίου μας, όσο και το μέγεθος της δεξαμενής καυσίμων για το ταξίδι μας προς τον Άρη! Βέβαια, καθώς η χάραξη των διαπλανητικών τούνελ είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη, οι υπολογισμοί θα έπρεπε με κάποιον τρόπο να απλοποιηθούν. Έτσι, αν σκεφτούμε κάθε κανάλι σαν ένα σετ ομόκεντρων περιοδικών τροχιών, όπως τα στρώματα ενός πράσου, η πολλαπλότητα του σημείου Lagrange είναι μία γραμμή στο μέσον του. Αν οι πολλαπλότητες δύο τέτοιων σημείων τέμνονται -ή έστω σε κάποια περιοχή η μεταξύ τους απόσταση είναι μικρή- τότε πολύ πιθανόν να τέμνονται και τα κανάλια. Κι αυτό βέβαια, είναι ιδιαίτερα χρήσιμο, ακόμη και στην περίπτωση που τα τεμνόμενα κανάλια βρίσκονται σε διαφορετικό ενεργειακό επίπεδο,  καθώς το ενεργειακό χάσμα μπορεί να γεφυρωθεί με την πυροδότηση ενός πυραύλου.

Tο σκεπτικό αυτό άμεσα απέδωσε καρπούς. Τον Ιούλιο του 1995, ο Martin Lo έγραψε στο ημερολόγιο του εργαστηρίου του «…οι αναλλοίωτες ευσταθείς και ασταθείς πολλαπλότητες των L1 και L2 σημείων για το σύστημα Γη-Ήλιος, φαίνεται κοντά στο να διασταυρώνονται μεταξύ τους».

Αριστερά: Καλλιτεχνική αναπαράσταση τμημάτων του Διαπλανητικού Δικτύου Μεταφοράς (ΙΤΝ) για το σύστημα Ήλιος-Γη-Σελήνη, που παράγεται από τις τροχιές γύρω από τα Λαγκρανζιανά σημεία. Τα πράσινα κανάλια προσεγγίζουν τις τροχιές ενώ τα κόκκινα κανάλια απομακρύνονται από αυτές. Έτσι, οι τροχιές αυτές είναι στην κυριολεξία οι κόμβοι του IΤΝ.
Δεξιά: Μεγέθυνση του Σεληνιακού τμήματος του ΙΤΝ. Tα βέλη υποδεικνύουν την κατεύθυνση της κίνησης.

Ας θυμηθούμε όμως ότι η Γη περιφέρεται γύρω από τον ήλιο. Καθώς συμβαίνει αυτό, τα κανάλια του ΙΤΝ συστρέφονται στον χώρο, όμοια με τους πίδακες του νερού που εκτοξεύεται από ένα περιστρεφόμενο ποτιστικό. Έτσι, η σχεδίαση ενός καναλιού, πρέπει να γίνει σε ένα περιστρεφόμενο σύστημα αναφοράς, στο οποίο τα δύο σώματα σχεδιάζονται ως σταθερά σημεία στον x-άξονα. Τα διαπλανητικά κανάλια παραμένουν παγωμένα στο διάστημα, σε αυτό το σύστημα, ενώ το διαστημόπλοιο κινείται.

Αριστερά: Μεταφορική τροχιά χαμηλής ενέργειας στο γεωκεντρικό αδρανειακό σύστημα αναφοράς.
Δεξιά: Η ίδια τροχιά στο περιστρεφόμενο σύστημα Ήλιου-Γης.

Σε ένα τέτοιο σύστημα αναφοράς τα σημεία τομής της ευσταθούς και της ασταθούς πολλαπλότητας που αντιστοιχούν στα σημεία L2 και L1 αντίστοιχα, φαίνονται στο παρακάτω σχήμα.

Αριστερά: Ο ήλιος βρίσκεται μακριά, στο αριστερό μέρος της εικόνας. To σύστημα αναφοράς περιφέρεται γύρω από τον ήλιο με την ταχύτητα της Γης, έτσι ώστε αυτή να βρίσκεται διαρκώς στο κέντρο του διαγράμματος. Ένα διαστημόπλοιο με δεδομένη ταχύτητα, μπορεί να διαγράψει τροχιά γύρω από τα L1 ή L2 (μαύρα βέλη). Ένα τμήμα των διαδρομών που καταλήγουν στο L1 αποτυπώνεται με πράσινο χρώμα και το αντίστοιχο τμήμα των διαδρομών που απομακρύνονται από το L2 με κόκκινο χρώμα. Η γκρίζα περιοχή είναι απαγορευμένη για το διαστημόπλοιο στην συγκεκριμένη ενέργεια.
Δεξιά: κάθετη τομή στον y-άξονα των πολλαπλοτήτων που αντιστοιχούν στα σημεία L1 και L2 του αριστερού διαγράμματος. Μπορεί να περάσει κάποιος από την μια πολλαπλότητα στην άλλη, χωρίς ενεργειακό κόστος, στα σημεία τομής τους (κίτρινο χρώμα).

Όσο αναζητούμε περιοχές τομής των πολλαπλοτήτων που αντιστοιχούν στα Γήινα Λαγκρανζιανά Σημεία, τα πράγματα είναι σχετικά απλά. Ο βαθμός πολυπλοκότητας όμως αυξάνεται απίστευτα, όταν στο πρόβλημά μας εισέρχονται περισσότερα ουράνια σώματα. Αν για παράδειγμα προσπαθούμε να χαράξουμε την διαδρομή μετάβασης από το L2 γήινο σημείο στο L1 σημείο του Άρη, τότε έχουμε μπροστά μας ένα πρόβλημα τεσσάρων σωμάτων! Έτσι, είμαστε αναγκασμένοι να προχωρήσουμε σε δύο απλουστεύσεις:

Όλες οι πλανητικές τροχιές είναι συνεπίπεδες (κάτι που εν γένει ισχύει για το ηλιακό σύστημα, με εξαίρεση τον Πλούτωνα).

Όλες οι πλανητικές τροχιές είναι κυκλικές (πολύ καλή προσέγγιση της πραγματικότητας, με εξαίρεση και πάλι τον Πλούτωνα).

Το πρόβλημά μας τώρα ισοδυναμεί με δύο προβλήματα τριών σωμάτων (Ήλιος-Γη-Διαστημόπλοιο & Ήλιος-Άρης-Διαστημόπλοιο), τα οποία συνδέονται μέσω των κοινών μελών τους (Ήλιος – Διαστημόπλοιο).

Διπλό περιορισμένο Πρόβλημα των Τριών Σωμάτων

Παραδόξως, ο εντοπισμός των σημείων τομής των πολλαπλοτήτων της Γης και του Άρη, αποδείχτηκε δύσκολος εν αντιθέσει με το ζεύγος Δίας – Κρόνος, που έδωσε αμέσως αποτελέσματα. Θα μπορούσε κάποιος να μεταβεί από τον έναν πλανήτη στον άλλον, σε ένα «σύντομο» σχετικά χρονικό διάστημα μερικών δεκαετιών. Περαιτέρω έρευνες ενίσχυσαν την πεποίθηση ότι ήταν δυνατή η δωρεάν μετάβαση μεταξύ των εξωτερικών πλανητών του Ηλιακού Συστήματος. Δυστυχώς, η μετάβαση αυτή αποδείχτηκε ιδιαίτερα χρονοβόρα.Η διαδρομή από τον Γη προς τον Άρη συνέβη να είναι το χειρότερο τμήμα της διαπλανητικής λεωφόρου, με χρονική διάρκεια δεκάδων χιλιάδων ετών!

Αριστερά: Ένα κανάλι του Διαπλανητικού Δικτύου Μεταφοράς (ΙΤΝ), το οποίο πλησιάζει το Δεύτερο Γήινο Λαγκρανζιανό Σημείο (L2) («Ευσταθής» πολλαπλότητα), αποτελούμενο από ένα σύνολο όμοιων τροχιών (πράσινο πλέγμα). Ένας κοσμικός ταξιδιώτης με κατάλληλη αρχική ταχύτητα, μπορεί να ακολουθήσει μια τροχιά που θα τον οδηγήσει σε περιφορά γύρω από το L2 (ανοιχτή πράσινη γραμμή).     Ένας ταξιδιώτης που ακολουθεί τροχιά στο εσωτερικού του καναλιού θα περάσει το L2 και, εισερχόμενο σε ένα άλλο κανάλι του δικτύου, θα κατευθυνθεί προς τους εξωτερικούς πλανήτες του ηλιακού συστήματος (γαλάζια γραμμή), ενώ κάποιος που ακολουθεί τροχιά στο εξωτερικό του καναλιού θα γυρίσει προς τα πίσω, δηλαδή προς την Κατεύθυνση του Ήλιου, ακολουθώντας -για παράδειγμα-
 ένα κανάλι που οδηγεί στην Αφροδίτη (κόκκινη γραμμή).
Δεξιά: Οι σχεδιαστές διαστημικών αποστολών εκτιμούν ότι σε πολλές φορές οι καλύτερες διαδρομές για ένα διαστημόπλοιο δεν είναι πάντα οι πιο άμεσες. Σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να είναι εξυπνότερο να εκμεταλλευτεί κανείς τα ενεργειακά χαμηλά μονοπάτια που συνδέουν τα σημεία κλειδιά του διαστήματος. για παράδειγμα, ένα διαστημόπλοιο με προορισμό την επιφάνεια της Σελήνης, μπορεί να φτάσει εκεί μέσω ενός από τα L1 ή L2 Σεληνιακά Λαγκρανζιανά σημεία. Τέτοια Κομβικά Λαγκρανζιανά σημεία, μπορούν εξάλλου να χρησιμοποιηθούν ως σταθμοί, για ταξίδια σε άλλους πλανήτες, όπως φαίνεται σε αυτόν τον διαστημικό «χάρτη μετρό».

Μία ευρεία χρήση των δρόμων της Διαπλανητικής Λεωφόρου αποκαλύπτει η παρατήρηση τροχιών αστεροειδών και κομητών. Εν τέλει φαίνεται πως από όλες τις δυνατές διαδρομές που ενώνουν δύο σημεία στον Μεσοπλανητικό χώρο, οι περιφερόμενοι ταξιδιώτες του Ηλιακού μας Συστήματος, επιλέγουν εκείνες που αποτελούν τμήματα του Διαπλανητικού Δικτύου Μεταφοράς. Όσο αλλόκοτο κι αν ακούγεται, η φύση μοιάζει να μην προτιμά τις συντομότερες διαδρομές αλλά τις οικονομικότερες.Eντυπωσιακή επαλήθευση των παραπάνω, αποτελεί η παράξενη πορεία του κομήτη Oterna, που απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα. Στις αρχές του 20ου αι., αυτό το παγωμένο ουράνιο σώμα εισέβαλε στην «γειτονιά» του ήλιου, έξω από την τροχιά του Δία. Αργότερα, το 1937, μετά από ένα κοντινό πέρασμα από αυτόν τον πλανήτη, ο Oterna άρχισε να περιφέρεται στο εσωτερικό της τροχιάς του Δία. Τα δύο σώματα συναντήθηκαν ξανά το 1963, οπότε ο κομήτης επέστρεψε σε εξωτερική τροχιά, όπου παραμένει μέχρι σήμερα. Σε κάθε συνάντησή του με τον Δία, ο κομήτης περιφερόταν χαλαρά γύρω από τον πλανήτη, ώστε για ένα χρονικό διάστημα να είναι δορυφόρος του!

(a) Προβλεπόμενες ευσταθείς (διακεκομμένες καμπύλες) και ασταθείς (συνεχείς καμπύλες) πολλαπλότητες των L1 και L2 στο περιστρεφόμενο σύστημα Ήλιου-Δία. Οι L1 πολλαπλότητες είναι πράσινες, ενώ οι L2 πολλαπλότητες είναι μαύρες.
(b) Η τροχιά του κομήτη Oterma (AD 1915{1980}) στο περιστρεφόμενο σύστημα Ήλιου-Δία (κόκκινη γραμμή) συμπίπτει εντυπωσιακά τις αναλλοίωτες πολλαπλότητες L1 και L2. Οι αποστάσεις δίνονται σε Αστρονομικές Μονάδες (AU).

Οι Wang Sang Koon, Martin W. Lo, Jerrold E. Marsden και Shane D. Rossαπέδειξαν ότι θα μπορούσε κάποιος να ακολουθήσει οποιοδήποτε δρομολόγιο υπάρχει για κάθε σετ Λαγκρανζιανών σημείων, δια μέσου οποιασδήποτε τροχιάς τα συνδέει. Κι αυτό διότι το Διαπλανητικό Δίκτυο, είναι ένα δυναμικό σύνολο καναλιών και κόμβων που διαμορφώνεται με βάση τις γεωμετρικές σχέσεις των πλανητών και τον δορυφόρων τους.

Θεωρητικά, λοιπόν, θα μπορούσαμε να σχεδιάσουμε την πορεία ενός κομήτη που ορμάει από το διάστημα, περιφέρεται γύρω από έναν πλανήτη τρεις φορές, εισέρχεται στο εσωτερικό της τροχιάς του, διαγράφει δεκαπέντε κύκλους γύρω από τον ήλιο, εξέρχεται στην εξωτερική διαδρομή πάλι, διαγράφει άλλους τρεις κύκλους γύρω από τον ήλιο και στην συνέχεια παγιδεύεται μόνιμα από αυτόν, ξεκινώντας την νέα του ζωή ως δορυφόρος. Όμοια, ένας αστεροειδής που πλησιάζει τον πλανήτη μας, θα μπορούσε να ακολουθήσει ένα χαοτικό μονοπάτι, πιθανόν περιφερόμενος γύρω από την Γη, έπειτα γύρω από τον Ήλιο κι έπειτα προς τα πίσω, ξανά και ξανά για πολλά χρόνια. 

Καλλιτεχνική αναπαράσταση περάσματος κομήτη 
από την γειτονιά του «Γαλάζιου Πλανήτη».

Ας σημειωθεί σε αυτό το σημείο, ότι «χαοτικός» δεν σημαίνει τυχαίος. Οι χαοτικές διαδρομές που εμπεριέχονται σε αυτό το πρόβλημα, είναι προβλέψιμες, τουλάχιστον για ένα σύντομο χρονικό διάστημα στο μέλλον. H ομοιότητα της συμπεριφοράς των καναλιών του ΙΤΝ με αυτήν των ρευστών είναι εντυπωσιακή. Αξίζει να αναφερθεί ότι τα υπολογιστικά εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των χαμηλής ενέργειας ουράνιων διαπλανητικών τροχιών, σχεδιάστηκαν από τον Francois Lekien του Πανεπιστημίου Princeton και τους συνεργάτες του, για τον υπολογισμό των δυναμικών ωκεάνιων καναλιών!Άρα λοιπόν, οι διασταυρούμενες διαδρομές του διαπλανητικού λαβύρινθου ή αλλιώς το σύνολο των κυκλοφορικών λωρίδων που εκκινούν στην γειτονιά των πλανητών και των δορυφόρων τους, καθορίζουν την κυκλοφορία μέσα στο ηλιακό σύστημα

Και προς τι όλα αυτά;

Ακριβώς εδώ, έχοντας σχεδόν ολοκληρώσει την περιγραφή των βασικών αρχών του ΙΤΝ, ίσως κάποιος αναρωτηθεί αν όλο αυτό είναι πολύ καλό για να είναι αληθινό! Θα μπορούσαμε εμείς να επωφεληθούμε από ένα τέτοιο ουράνιο δίκτυο, φθηνό μεν, απίστευτα χρονοβόρο δε; Και αν ναι, με ποιον τρόπο;

Έχοντας κατά νου το γεγονός πως τα Voyagers χρειάστηκαν μόλις δύο χρόνια για να φτάσουν από τον Δία στον Κρόνο, χρησιμοποιώντας κωνικές τομές και ελιγμούς βαρυτικών ωθήσεων (βαρυτικές σφεντόνες), ένα «δωρεάν» διακαναλικό ταξίδι μεταξύ των δύο αυτών πλανητών, μέσω του ΙΤΝ, που χρειάζεται «μόνο» λίγες δεκαετίες για να πραγματοποιηθεί, δεν μοιάζει καν σαν μια εξαιρετική προοπτική! Διότι μπορεί, οι κομήτες και οι αστεροειδείς να έχουν όσο χρόνο χρειάζεται για να περιδιαβαίνουν τις φθηνές λεωφόρους από πλανήτη σε πλανήτη, μεταβαίνοντας από το ένα κανάλι στο άλλο, εμάς όμως μας περιορίζουν τα θνητά μας όρια. Παραμένει ωστόσο εξαιρετικά σημαντική η δυνατότητα της πλοήγησης ενός σκάφους μέσω των σημείων εκείνων του μεσοπλανητικού βαρυτικού πεδίου που παρέχουν φυσικές πύλες εξόδου προς το διάστημα, όπως σημαντική για έναν ναυαγό είναι η δυνατότητα να αφήσει ένα μπουκάλι με μήνυμα στο σωστό θαλάσσιο ρεύμα, την σωστή στιγμή. Δελεαστικά αξιοποιήσιμη προοπτική, χάρις στην οποία οι σχεδιαστές διαστημικών αποστολών μπορούν να χαράξουν ενεργειακά αποδοτικές διαδρομές, που διαφορετικά δεν θα μπορούσαν να είναι πραγματοποιήσιμες

Μία από τις «προσφορές» της σχεδίασης της διαστημικής αποστολής του Genesis στο L1, ήταν η σε βάθος μελέτη της δυναμικής της γειτονιάς της Γης, η οποία αποκάλυψε ότι τουλάχιστον μία φορά τον μήνα, οι τροχιές γύρω από τα σημεία L1 και L2 της Σελήνης (για το σύστημα Γη – Σελήνη), συνδέονται με τις τροχιές γύρω από τα σημεία L1 ή L2 της Γης (για το σύστημα Ήλιος – Γη), μέσω διαδρομών χαμηλής ή ακόμη και μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης!

Σε αυτόν τον ελιγμό που λαμβάνει χώρα στην γήινη γειτονιά, το μικρότερο σώμα, η Σελήνη στην περίπτωσή μας, χρησιμοποιείται για την έλξη ενός διαστημοπλοίου από το L1 σημείο στο L2. Καθώς το  L1 βρίσκεται στο Γήινο βαρυτικό φρέαρ και το L2 έξω από αυτό, η μέθοδος αυτή επιτρέπει την αποτελεσματική έξοδο του διαστημοπλοίου με λίγη ενέργεια.

Οι συνέπειες αυτής της ευτυχούς σύμπτωσης για την εξερεύνηση του ηλιακού συστήματος, είναι τεράστιες. Ενεργή είναι η ιδέα της εγκατάστασης ενός μόνιμου διαστημικού σταθμού στο L1 σεληνιακό σημείο, ώστε να χρησιμεύσει ως κόμβος μεταφοράς για μελλοντικές  αποστολές, ως κοντινή στάση για την Διαπλανητική Λεωφόρο, και ως μία εξαιρετική πύλη αναχωρήσεων και αφίξεων για συμβατικές πτήσεις στον Άρη, τους αστεροειδείς και το εξωτερικό ηλιακό σύστημα. 

Επόμενος στόχος -γιατί όχι;- η κατασκευή ενός αυτόνομου  διαστημοσκάφους που θα πλοηγείται για δεκαετίες στους δαιδαλώδης διαδρόμους του ηλιακού συστήματος, χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση, μικρού σε μέγεθος, με τον απαραίτητο εξοπλισμό για συλλογή δεδομένων και αποστολή πληροφοριών στην Γη. Την προοπτική αυτή ενισχύει το πρόσφατο συμπέρασμα ότι με κατάλληλους προωθητικούς χειρισμούς ένα διαστημοσκάφος θα μπορούσε να φτάσει σε άλλους πλανήτες, πολύ συντομότερα από ότι ως τώρα πιστεύαμε.Όμως αυτό, είναι θέμα έτερης ανάρτησης! 🙂


  1. Martin W. Lo, Shane D. Ross The Lunar L1 Gateway: Portal to the Stars and Beyond
  2. NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 2002 News Releases Interplanetary Superhighway Makes Space Travel Simpler
  3. Martin W. Lo The InterPlanetary Superhighway and the Origins Program
  4. Wang Sang Koon, Martin W. Lo, Jerrold E. Marsden, Shane D. Ross Heteroclinic Connections between Periodic Orbits and Resonance Transitions in Celestial Mechanics
  5. Kathryn E. Davis, Rodney L. Anderson, Daniel J. Scheeres, George H. Born The use of invariant manifolds for transfers between unstable periodic orbits of different energies
  6. G. Gomez, W.S. Koon, M.W. Loz, J.E. Marsden, J. Masdemont, S.D. Ross Invariant Manifolds, the Spatial Three-Body Proplem and Space Mission Design
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

Οδύσσεια του Διαστήματος: Τα διαπλανητικά ταξίδια και η βαρυτική σφενδόνη

Η δημιουργία ενός δικτύου μεσοπλανητικών τροχιών χαμηλής ενέργειας με χρήση της Βαρυτικής Σφενδόνης.

«‘οἱ δὲ δύω σκόπελοι ὁ μὲν οὐρανὸν εὐρὺν ἱκάνει
ὀξείῃ κορυφῇ, νεφέλη δέ μιν ἀμφιβέβηκε
κυανέη: τὸ μὲν οὔ ποτ᾿ ἐρωεῖ, οὐδέ ποτ᾿ αἴθρη
κείνου ἔχει κορυφὴν οὔτ᾿ ἐν θέρει οὔτ᾿ ἐν ὀπώρῃ.
οὐδέ κεν ἀμβαίη βροτὸς ἀνὴρ οὐδ᾿ ἐπιβαίη,
οὐδ᾿ εἴ οἱ χεῖρές τε ἐείκοσι καὶ πόδες εἶεν:
πέτρη γὰρ λίς ἐστι, περιξεστῇ ἐικυῖα.
μέσσῳ δ᾿ ἐν σκοπέλῳ ἔστι σπέος ἠεροειδές,
πρὸς ζόφον εἰς Ἔρεβος τετραμμένον, ᾗ περ ἂν ὑμεῖς
νῆα παρὰ γλαφυρὴν ἰθύνετε, φαίδιμ᾿ Ὀδυσσεῦ.
οὐδέ κεν ἐκ νηὸς γλαφυρῆς αἰζήιος ἀνὴρ
τόξῳ ὀιστεύσας κοῖλον σπέος εἰσαφίκοιτο.
ἔνθα δ᾿ ἐνὶ Σκύλλη ναίει δεινὸν λελακυῖα.
τῆς ἦ τοι φωνὴ μὲν ὅση σκύλακος νεογιλῆς
γίγνεται, αὐτὴ δ᾿ αὖτε πέλωρ κακόν: οὐδέ κέ τίς μιν
γηθήσειεν ἰδών, οὐδ᾿ εἰ θεὸς ἀντιάσειεν.
τῆς ἦ τοι πόδες εἰσὶ δυώδεκα πάντες ἄωροι,
ἓξ δέ τέ οἱ δειραὶ περιμήκεες, ἐν δὲ ἑκάστῃ
σμερδαλέη κεφαλή, ἐν δὲ τρίστοιχοι ὀδόντες
πυκνοὶ καὶ θαμέες, πλεῖοι μέλανος θανάτοιο.
μέσση μέν τε κατὰ σπείους κοίλοιο δέδυκεν,
ἔξω δ᾿ ἐξίσχει κεφαλὰς δεινοῖο βερέθρου,
αὐτοῦ δ᾿ ἰχθυάᾳ, σκόπελον περιμαιμώωσα,
δελφῖνάς τε κύνας τε, καὶ εἴ ποθι μεῖζον ἕλῃσι
κῆτος, ἃ μυρία βόσκει ἀγάστονος Ἀμφιτρίτη.
τῇ δ᾿ οὔ πώ ποτε ναῦται ἀκήριοι εὐχετόωνται
παρφυγέειν σὺν νηί: φέρει δέ τε κρατὶ ἑκάστῳ
φῶτ᾿ ἐξαρπάξασα νεὸς κυανοπρῴροιο.
«‘τὸν δ᾿ ἕτερον σκόπελον χθαμαλώτερον ὄψει, Ὀδυσσεῦ.
πλησίον ἀλλήλων: καί κεν διοϊστεύσειας.
τῷ δ᾿ ἐν ἐρινεὸς ἔστι μέγας, φύλλοισι τεθηλώς:
τῷ δ᾿ ὑπὸ δῖα Χάρυβδις ἀναρροιβδεῖ μέλαν ὕδωρ.
τρὶς μὲν γάρ τ᾿ ἀνίησιν ἐπ᾿ ἤματι, τρὶς δ᾿ ἀναροιβδεῖ
δεινόν: μὴ σύ γε κεῖθι τύχοις, ὅτε ῥοιβδήσειεν:
οὐ γάρ κεν ῥύσαιτό σ᾿ ὑπὲκ κακοῦ οὐδ᾿ ἐνοσίχθων.
ἀλλὰ μάλα Σκύλλης σκοπέλῳ πεπλημένος ὦκα
νῆα παρὲξ ἐλάαν, ἐπεὶ ἦ πολὺ φέρτερόν ἐστιν
ἓξ ἑτάρους ἐν νηὶ ποθήμεναι ἢ ἅμα πάντας.’[1]

Ομήρου Οδύσσεια, Ραψωδία μ΄, στ. 73-110

Όπου ο Οδυσσέας εξηγεί, πώς κατάφερε να περάσει
μέσα από την Σκύλλα και την Χάρυβδη.

Oι πύλες προς το Σύμπαν είναι ανοικτές. Η Οδύσσεια του Διαστήματος εν εξελίξει και με δεδομένη αφετηρία ψάχνει προορισμούς και τρόπους μετάβασης. Οι σύγχρονοι «θαλασσοπόροι» -σχεδιαστές αποστολών-, αναζητούν φυσικά το κατάλληλο «ιστιοφόρο» για να εξερευνήσουν τον Ωκεανό του Σύμπαντος. Και παράλληλα προσπαθούν να χαράξουν τα -στο μέτρο του δυνατού- ιδανικά Κοσμικά Κανάλια για το ταξίδι τους, αρχής γενομένης από την «γειτονιά» της Γης, το Ηλιακό μας Σύστημα. 

Το ερώτημα που αναδύεται άμεσα στην βάση αυτής της προσπάθειας είναι φυσικά το εξής:

«Υπάρχει τρόπος να περιδιαβούμε τον Διαπλανητικό Χώρο, με το δυνατόν χαμηλότερο ενεργειακό κόστος;» 

Ή…

…αν υποθέσουμε ότι οι σύντροφοι του Οδυσσέα είναι η πολύτιμη ενέργεια και η Σκύλλα και η Χάρυβδη η ενεργοβόραπλανητική βαρύτητα που κυριαρχεί στον μεσοπλανητικό χώρο, θα μπορούσαμε να βρούμε τον τρόπο να τις χρησιμοποιήσουμε προς όφελός μας, ελαχιστοποιώντας τις ενεργειακές απώλειες;

Τα όπλα στην φαρέτρα των σχεδιαστών διαστημικών αποστολών, ως προς αυτήν την παράμετρο, χρησιμοποιούν ένα -εκ πρώτης όψεως- παράδοξο πυρομαχικό: την ίδια τη βαρύτητα

Η έρευνα έχει αποδώσει καρπούς κι έχει οδηγήσει στην δημιουργία ενός μεγάλου δικτύου μεσοπλανητικών τροχιών χαμηλής ενέργειας που κάνει χρήση τόσο του φαινομένου της Βαρυτικής Σφενδόνης (τίτλος ολίγον ατυχής), όσο και των ιδιοτήτων των χαρακτηριστικών Λαγκρανζιανών Σημείων που αντιστοιχούν σε κάθε ζεύγος αλληλεπιδρώντων ουρανίων σωμάτων. 

Ας πάρουμε όμως τα πράγματα με τη σειρά κι ας δούμε πρώτα πώς ακριβώς δουλεύει η Βαρυτική Σφενδόνη.

Βαρυτική Σφενδόνη ή Βαρυτική Ώθηση

Oι περισσότερες διαστημικές αποστολές που έχουν ξεκινήσει από τον πλανήτη μας για να εξερευνήσουν τον χώρο που μας περιβάλλει, από την κοντινή μας γειτονιά ως τα όρια του Ηλιακού συστήματος, είναι σχεδιασμένες με βάση την Ουράνια Μηχανική των JohannesKepler (1571 – 1630) και Sir Isaac Newton (1643 – 1727).

Σε αυτό το θεωρητικό πλαίσιο, αναζητήθηκε ένας εύκολος τρόπος χάραξης τροχιών χαμηλής ενέργειας. Οιελιγμοί βαρυτικής ώθησης (ή όπως αλλιώς αναφέρονται οι βαρυτικές σφεντόνες), είναι ένας σχετικά απλός και ανέξοδος τρόπος να χρησιμοποιηθεί η βαρύτητα ενός μεγάλου ουράνιου σώματος για την επιτάχυνση ενός διαστημοπλοίου.

Ας παρακολουθήσουμε, λοιπόν, ένα διαστημόπλοιο που πλησιάζει έναν πλανήτη, εισερχόμενο στο βαρυτικό του πεδίο, έτσι ώστε να περάσει αρκετά κοντά του, χωρίς όμως να παγιδευτεί από αυτόν, εξερχόμενο στο τέλος από το βαρυτικό του πεδίο. 

Παρατηρώντας το διαστημόπλοιο από το σύστημα αναφοράς του πλανήτη, κι εφαρμόζοντας την Αρχή Διατήρησης της Ενέργειας, οδηγούμαστε στο συμπέρασμα πως δεν αποκομίζει κανένα ενεργειακό πλεόνασμα, αφού η βαρύτητα είναι δύναμη διατηρητική. Πιο συγκεκριμένα, όσο πλησιάζει προς τον πλανήτη τόσο πιο γρήγορα κινείται, αφού η βαρυτική έλξη του πλανήτη το επιταχύνει. Καθώς όμως απομακρύνεται, η ίδια βαρυτική έλξη το επιβραδύνει, έχοντας εκ πρώτης όψεως κερδίσει μόνο την αλλαγή κατεύθυνσής του. Η περίπτωση αυτή, μοιάζει με εκείνην ενός ποδηλάτη που κατηφορίζει επιταχυνόμενος προς μία κοιλάδα ενώ στη συνέχεια επιβραδύνεται ανερχόμενος από αυτήν.

Οι παρατηρήσεις και τα συμπεράσματά μας είναι βέβαια σωστά, εφόσον βρισκόμαστε στο σύστημα αναφοράς του πλανήτη, για το οποίο ο πλανήτης είναι ακίνητος.

Δισδιάστατη απεικόνιση της κίνησης διαστημοπλοίου που 
περνάει πλησίον του πλανήτη Δία, όπως φαίνεται από το 
σύστημα αναφοράς του ίδιου του πλανήτη. Η ελκτική δύναμη του Δία έχει προκαλέσει μια αξιοσημείωτη μεταβολή
στην κατεύθυνση της ταχύτητας ενώ το μέτρο της 
παραμένει αμετάβλητο (VOUT=VIN).

Δισδιάστατη απεικόνιση της κίνησης διαστημοπλοίου που περνάει πλησίον του πλανήτη Δία, όπως φαίνεται από το σύστημα αναφοράς του ίδιου του πλανήτη. Η ελκτική δύναμη του Δία έχει προκαλέσει μια αξιοσημείωτη μεταβολήστην κατεύθυνση της ταχύτητας ενώ το μέτρο της παραμένει αμετάβλητο (VOUT=VIN).

Για έναν παρατηρητή που βρίσκεται στον ήλιο, τα πράγματα θα είναι διαφορετικά. Σύμφωνα με τον παρατηρητή αυτόν, ο πλανήτης κινείται και αυτή ακριβώς η κίνηση είναι το κλειδί για την κατανόηση του φαινομένου τηςβαρυτικής σφενδόνης. Στη νέα αυτή θεώρηση των πραγμάτων, πρέπει να ληφθεί υπόψιν η περιφορά του πλανήτη γύρω από τον ήλιο και η τεράστια στροφορμή του. 

Καθώς το σύστημα διαστημόπλοιο – πλανήτης αλληλεπιδρά, ο πλανήτης «παρασύρει» στην κίνησή του το διαστημόπλοιο, έτσι ώστε αυτό να «κερδίζει» ένα μέρος από την στροφορμή και την κινητική ενέργεια του πλανήτη, αμελητέα για τον ίδιο, ιδιαίτερα σημαντική για το διαστημόπλοιο, αφού μπορεί να αυξήσει την ταχύτητά του έως και δύο φορές την τροχιακή ταχύτητα του πλανήτη!

Στην εικόνα που ακολουθεί, απεικονίζεται η βαρυτική ώθηση του Δία σε ένα διαστημικό σκάφος που εισέρχεται στο βαρυτικό του πεδίο.


Η ταχύτητα του πλανήτη καθώς περιφέρεται γύρω  από τον Ήλιο παριστάνεται με ένα ροζ βέλος  (απλουστευμένα φυσικά, αφού ως γνωστόν  ο πλανήτης κινείται κατά μήκος τόξου και όχι ευθείας γραμμής. Ο ήλιος βρίσκεται στο κάτω μέρος του διαγράμματος).  Η αρχική ταχύτητα του διαστημοπλοίου στο σύστημα αναφοράς του ήλιου, βρίσκεται αν προσθέσουμε διανυσματικά την αρχική του ταχύτητα, ως προς το σύστημα του πλανήτη, με την ταχύτητα 
του πλανήτη, ως προς το ίδιο σύστημα. Αντίστοιχα βρίσκουμε και την τελική ταχύτητα του διαστημοπλοίου.

Η ταχύτητα του πλανήτη καθώς περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο παριστάνεται με ένα ροζ βέλος (απλουστευμένα φυσικά, αφού ως γνωστόν ο πλανήτης κινείται κατά μήκος τόξου και όχι ευθείας γραμμής. Ο ήλιος βρίσκεται στο κάτω μέρος του διαγράμματος).  Η αρχική ταχύτητα του διαστημοπλοίου στο σύστημα αναφοράς του ήλιου, βρίσκεται αν προσθέσουμε διανυσματικά την αρχική του ταχύτητα, ως προς το σύστημα του πλανήτη, με την ταχύτητα του πλανήτη, ως προς το ίδιο σύστημα. Αντίστοιχα βρίσκουμεκαι την τελική ταχύτητα του διαστημοπλοίου.  Ας απλουστεύσουμε λίγο τα πράγματα, ώστε να εξάγουμε ένα μέτρο της ώθησης που ένας πλανήτης προσφέρει σε ένα διαστημόπλοιο. 

Περιοριζόμενοι, όπως και πριν στις δύο διαστάσεις, υποθέτουμε με πολύ καλή προσέγγιση, ότι η τροχιά του πλανήτη κατά το χρονικό διάστημα που διαρκεί η αλληλεπίδραση είναι περίπου ευθύγραμμηκαι η αλληλεπίδραση πλανήτη-διαστημικού σκάφους μοιάζει με μία ελαστική κρούση. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε δύο βασικές αρχές της φυσικής: την αρχή διατήρησης της Ορμής και την αρχή διατήρησης της Κινητικής Ενέργειας. Για περαιτέρω απλούστευση του προβλήματος, μπορούμε να κάνουμε κάποιες επιπλέον παραδοχές:

  • Η μάζα του πλανήτη είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την μάζα του διαστημοπλοίου, έτσι ώστε ο λόγος
  • Κατά την αλληλεπίδραση των δύο σωμάτων ο πλανήτης μεταβάλλει σημαντικά την ταχύτητα του διαστημοπλοίου, χωρίς να υπάρχει μετρήσιμη μεταβολή στην δική του ταχύτητα.
  • Η βαρυτική έλξη απλά στρέφει το διάνυσμα της ταχύτητας του διαστημοπλοίου, στο σύστημα αναφοράς του πλανήτη, αφήνοντας το μέγεθός του αναλλοίωτο. Αυτή ακριβώς η στρέψη (επιτάχυνση) αλλάζει το μέτρο της ταχύτητας στο ηλιοκεντρικό σύστημα αναφοράς.

Μετωπική Αλληλεπίδραση

Ξεκινάμε με την απλή περίπτωση που ένα διαστημόπλοιο πλησιάζει «μετωπικά» τον πλανήτη, δηλαδή με αρχική ταχύτητα \vec{V} παράλληλη προς την τροχιακή ταχύτητα \vec{U}  του πλανήτη, έτσι ώστε να περάσει πίσω από τον πλανήτη σε μια εξαιρετικά έκκεντρη υπερβολική τροχιά και να στραφεί κατά 180o, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Και οι δυο ταχύτητες ορίζονται στο σύστημα αναφοράς του Ήλιου. Συμβολίζουμε |\vec{V}|=V_{IN}\equiv V και |\vec{U}|=U_{IN}\equiv U.

Η διατήρηση της κινητικής ενέργειας και της ορμής δίνουν:

\mathbf{MU_{IN}^{2}+mV_{IN}^{2}=MU_{OUT}^{2}+mV_{OUT}^{2}}

\mathbf{MU_{IN}-mV_{IN}=MU_{OUT}-mV_{OUT}}

Όπου Μ, η μάζα του πλανήτηm, η μάζα του διαστημοπλοίου, και οι δείκτες ΙN και OUT, αντιστοιχούν στην προ και μετάαλληλεπίδρασης κατάσταση αντίστοιχα.

Σε συμφωνία με τις παραδοχές που κάναμε αρχικά, \mathbf{U_{OUT}\approx 0} συνεπώς λύνοντας το παραπάνω σύστημα ως προς \mathbf{V_{OUT}} έχουμε:

\mathbf{V_{OUT}=\frac{\left ( 1-\frac{m}{M} \right )V_{IN}+2U_{IN}}{1+\frac{m}{M}}}

Κι εφόσον

\mathbf{\frac{m}{M}\approx 0}

τελικά προκύπτει

\mathbf{V_{OUT}=V+2U}

Δηλαδή, σε αυτήν την περίπτωση το διαστημόπλοιο κερδίζει ταχύτητα ίση με το διπλάσιο της τροχιακής ταχύτητας του πλανήτη!!!

Υπό γωνία αλληλεπίδραση

Ας εξετάσουμε τώρα την περίπτωση που το διαστημόπλοιό μας πλησιάζει έναν πλανήτη υπό γωνία, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Δεχόμαστε ότι η διεύθυνση κίνησης του πλανήτη είναι ο x-άξονας και η κάθετη σε αυτόν που κείται στο τροχιακό επίπεδο, ο y-άξονας. Το διαστημόπλοιο αρχικά κινείται με ταχύτητα μέτρου |\vec{V}|=V, η οποία σχηματίζει γωνία θ με την ταχύτητα του πλανήτη.

Αναλύοντας σε συνιστώσες και χρησιμοποιώντας τον ίδιο συμβολισμό όπως και παραπάνω, έχουμε για την αρχική ταχύτητα:

\mathbf{\left (V_{IN}\right )_{x}=-V\cos \theta }

και

\mathbf{\left (V_{IN}\right )_{y}=V\sin \theta }

ενώ για την τελική ταχύτητα

$latex \mathbf{\left (V_{OUT}\right ){y}=\left (V{IN}\right )_{y}=V\sin \theta }$

και

\mathbf{\left (V_{OUT}\right )_{x}=V\cos \theta + 2U}

και με λίγη μαθηματική επεξεργασία

\boldsymbol{V_{OUT}=\left ( V+2U \right )^2 \sqrt[]{1-\frac{4UV\left ( 1-\cos \theta \right )}{\left ( V+2U \right )^2} }}

Όπως εύκολα διαπιστώνουμε, όσο οξύτερη είναι η γωνία αυτή, τόσο μεγαλύτερη η ώθηση του διαστημοπλοίου. Μάλιστα όταν θ=0o, τότε καταλήγουμε στο αποτέλεσμα της μετωπικής αλληλεπίδρασης, δηλαδή \mathbf{V_{OUT}=V+2U}.

Κατ’ αναλογία με την βαρυτική σφενδόνη, ένα παιδί ρίχνει μία μπάλα (που αντιστοιχεί στο διαστημόπλοιο) σε έναν κινούμενο σιδηρόδρομο (που αντιστοιχεί στον πλανήτη), 
Καθώς η μπάλα συγκρούεται με τον σιδηρόδρομο, «δανείζεται» ένα μέρος από την ορμή του.

Θα πρέπει εδώ να τονιστεί, αν και ίσως είναι περιττό, ότι η αύξηση της ταχύτητας που προκαλεί μια βαρυτική ώθηση, και συνεπώς της Κινητικής Ενέργειας του διαστημοπλοίου, δεν συνεπάγεται καμία παραβίαση της αρχής διατήρησης της ενέργειας, αφού για έναν ηλιοκεντρικό παρατηρητή η αύξηση της Κινητικής Ενέργειας του διαστημοπλοίου ισοφαρίζεται από μια ίση μείωση της Κινητικής Ενέργειας του Πλανήτη, οπότε στο σύστημα διαστημόπλοιο – Πλανήτης, η ενέργεια συνολικά παραμένει σταθερή.

Με την χρήση ενός δικτύου κωνικών τομών και κατάλληλων ελιγμών βαρυτικών ωθήσεων, σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα, είναι δυνατόν να πλοηγηθεί κάποιος σε ολόκληρο το Ηλιακό Σύστημα. 

Xαρακτηριστικό παράδειγμα εφαρμογής των ελιγμών που χρησιμοποιούν βαρυτικές ωθήσεις, είναι η χάραξη της πορείας της «διαστημικής εκστρατείας» στο Ηλιακό μας Σύστημα – και πέρα από αυτό-, των διαστημοπλοίων Voyager 1 και 2.

H διαστρική διαστημική αποστολή τους ξεκίνησε με την εκτόξευση του Voyager 2, στις 20 Αυγούστου 1977, από το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Kennedy. Ακολούθησε η εκτόξευση του Voyager 1, στις 5 Σεπτεμβρίου, 1977.

Σκοπός της, η επέκταση της εξερεύνησης του Ηλιακού Συστήματος, πέρα από την γειτονιά των εξωτερικών πλανητών, στο όριο επιρροής της Ηλιόσφαιρας και πιθανόν ακόμη παραπέρα. Διασχίζοντας το εξωτερικό Ηλιακό Σύστημα, τα δύο Voyagers αναζητούν το όριο της Ηλιόπαυσης, τα εξωτερικά όρια του Ηλιακού Μαγνητικού Πεδίου και την προς τα έξω ροή του ηλιακού ανέμου. 

Ένας από τους στόχους των Voyagers είναι ο εντοπισμός της Ηλιόπαυσης, της περιοχής εκείνης όπου η επίδραση του Ηλιακού ανέμου πέφτει και μπορεί να ανιχνευτεί ο διαστρικός χώρος.

Πρόσφατα μάλιστα το Voyager 1, έχοντας διασχίσει περίπου 18 δισ. χλμ., εισήλθε σε μια μυστηριώδη περιοχή μετάβασης στα όρια της Ηλιόσφαιρας, την λεγόμενη Ζώνη Εξασθένησης ή Μαγνητική Λεωφόρο, της οποίας την ύπαρξη δεν γνωρίζαμε. Στην περιοχή αυτή, οι γραμμές του Μαγνητικού Πεδίου που παράγεται από τον Ήλιο πυκνώνουν ενώ τα φορτισμένα, χαμηλής ενέργειας σωματίδια που επιταχύνονται στo ταραχώδες εξωτερικό στρώμα της ηλιόσφαιρας εξαφανίζονται. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι αυτή είναι η τελευταία περιοχή της Ηλιόσφαιρας που διασχίζουν τα διαστημόπλοια πριν εξέλθουν στον Διαστρικό Χώρο.

Προσομοίωση των τροχιών των διαστημοπλοίων Voyager I & II προς τους εξωτερικούς πλανήτες του Ηλιακού Συστήματος. Φαίνονται οι χαρακτηριστικές κάμψεις της τροχιάς των σκαφών καθώς περνούν από την γειτονιά των πλανητών.

Στις 18 Οκτωβρίου 1989, ένας άλλος ουράνιος εξερευνητής με το όνομαGalileo, εκτοξεύτηκε με προορισμό τον πλανήτη Δία. Η αποστολή του έληξε όταν βυθίστηκε στην συνθλιπτική ατμόσφαιρα του γιγάντιου πλανήτη στις 21 Σεπτεμβρίου 2003. Η καταστροφή του ήταν σκόπιμη, ώστε να προστατευτεί μία από τις ανακαλύψεις του – ένας πιθανός ωκεανός κάτω από την παγωμένη κρούστα του δορυφόρου Ευρώπη.

Ο Γαλιλαίος άλλαξε τον τρόπο με τον οποίου βλέπουμε το ηλιακό μας σύστημα. Ήταν το πρώτο σκάφος που πέταξε πίσω από έναν αστεροειδή και το πρώτο που ανακάλυψε δορυφόρο σε αστεροειδή και παρείχε άμεσες παρατηρήσεις σύγκρουσης ενός κομήτη με έναν πλανήτη.

Πρώτος πήρε μετρήσεις της ατμόσφαιρας του Δία, με την χρήση ενός καταβατικού ανιχνευτή και πρώτος πραγματοποίησε μακροπρόθεσμες μετρήσεις του πλανήτη. Βρήκε επίσης στοιχεία ύπαρξης αλμυρού νερού κάτω από την Ευρώπη, τον Γανυμήδη και την Καλλιστώ και αποκάλυψε την ένταση της ηφαιστειακής δραστηριότητας στην Ιώ.

Η πορεία του διαστημικού σκάφους Γαλιλαίος.
Μετά την εκτόξευσή του (18 Οκτωβρίου, 1989), πραγματοποίησε τρεις 

ελιγμούς, έναν γύρω από την Αφροδίτη, έπειτα γύρω από την Γη
και πάλι την Γη, ώστε να αποκτήσει αρκετή ταχύτητα
για να φτάσει στην τροχιά του Δία.

Ναι μεν… αλλά!

Έχοντας διαβάσει κάποιος την απλουστευμένη σκιαγράφηση του φαινομένου της βαρυτικής σφενδόνης που προηγήθηκε, ίσως αποκομίσει την εντύπωση πως τα πράγματα «εκεί έξω» είναι απλά. Το μόνο που χρειάζεται για μια διαστημική αποστολή είναι ένα καλό και τεχνολογικά εξοπλισμένο διαστημοσκάφος, καύσιμα αρκετά για την εκτόξευση και την αποδέσμευση από το βαρυτικό πεδίο της Γης, και το ακρωτήριο… Κανάβεραλ. Την υπόλοιπη δουλειά την κάνει ο βοηθός της Βαρύτητας που προσφέρεται δωρεάν και απλόχερα στον Μεσοπλανητικό Χώρο του Ηλιακού Συστήματος. 

Στην πραγματικότητα βέβαια, τα πράγματα είναι… κάπως πιο πολύπλοκα!

H αλήθεια είναι πως οι Χωρικοί και Χρονικοί περιορισμοί στους οποίους υπόκεινται τα διαστημικά μας ταξίδια (εντός ή εκτός του ηλιακού συστήματος) είναι τεράστιοι και δεν είναι καθόλου εύκολο να τους υπερσκελίσει κανείς. Μάλιστα, κάποιος θα πει πως, από ένα σημείο και μετά, δεν είναι καν εφικτό.

Αξιολογώντας από την σκοπιά της ενέργειας τις διαστημικές αποστολές που χαράχθηκαν στην βάση της Ουράνιας Μηχανικής των Kepler και Newton, διαπιστώνει ότι όσο πετυχημένες κι αν ήταν αυτές, παραμένουν κάποια βασικά μειονεκτήματα που περιορίζουν το «βεληνεκές» τους. 

Κι αυτό, διότι παρόλο που το μοντέλο σχεδίασης των αποστολών το οποίο βασίζεται στις κωνικές τομές, φαίνεται να λειτουργεί καλά, ο παράγοντας της καύσιμης ύλης που είναι απαραίτητη για την πραγματοποίησή τους, περιορίζει σημαντικά το δρομολόγιο του διαστημοπλοίουακόμη και με την αρωγή της βαρυτικής ώθησης

Για παράδειγμα, χρειάζεται μία σημαντική ποσότητα καυσίμων ώστε ένα σκάφος να «φρενάρει», να τεθεί σε τροχιά γύρω από κάποιον πλανήτη ή δορυφόρο, να παραμείνει εκεί για λίγο και στην συνέχεια να εκτοξευτεί προς τον επόμενο προορισμό. 

Συνεπώς, καθώς το μέγεθος ενός σκάφους είναι περιορισμένο, όσο αυξάνεται η ποσότητα του καυσίμου με το οποίο πρέπει να εφοδιαστεί μια αποστολή, τόσο μικραίνει ο επιστημονικός εξοπλισμός που μπορεί να μεταφέρει. 

Μειώνοντας επομένως την ποσότητα του απαιτούμενου καυσίμου, αυξάνεται η ικανότητα ενός διαστημοσκάφους να μεταφέρει επιστημονικό εξοπλισμό, κάτι που κρίνεται ιδιαίτερα σημαντικό για την εξερεύνηση του διαστήματος. 

Το διαστημοσκάφος Cassini-Huygens το οποίο εξερευνά τον Κρόνο.
Από την αρχή της αποστολής του ως σήμερα, οι βαρυτικές ωθήσεις είναι απαραίτητο
στοιχείο της διαδικασίας με την οποία οι επιστήμονες πλοηγούν το σκάφος 
στα σημεία που θέλουν να πάει.

Εξάλλου,  τα περάσματα των διαστημοπλοίων από τους πλανήτες (όπως αυτά των Voyagers) καταλήγουν να είναι πολύ σύντομα (αφού η ταχύτητά τους είναι αρκετά μεγάλη σχετικά με τις πλανητικές ταχύτητες), ώστε το χρονικό διάστημα παρατήρησής τους να είναι ανεπαρκές.

Το επόμενο στάδιο των προσπαθειών  επίτευξης της μέγιστης «ενεργειακής οικονομίας» των διαστημικών αποστολών, έχει σημείο εκκίνησης τις προσπάθειες επίλυσης από τον εξέχοντα Γάλλο μαθηματικόJules-Henri Poincaré (1854 – 1912) του προβλήματος των τριών σωμάτων, σταθμούς τα ασταθή Λαγκρανζιανά σημεία, χαοτικά χαρακτηριστικά και αποτέλεσμα την αποκάλυψη ενός δαιδαλώδους ουράνιου δικτύου, της Διαπλανητικής Λεωφόρου.


[1]Κείθε θα ιδείς δυο θαλασσόβραχους᾿ του ενός στα ουράνια φτάνει
    η σουβλερή κορφή᾿ το σύγνεφο, που εκεί ψηλά τον ζώνει,
    το σκοτεινό, κανένας άνεμος δεν το σκορπάει, και μήτε
    για καλοκαίρι για χινόπωρο ποτέ η κορφή ξανοίγει.
   Θνητός απάνω εκεί δεν πάτησε᾿ κι είκοσι χέρια αν είχε
    κι είκοσι πόδια, δε θα δονούνταν ν᾿ ανέβει στην κορφή του᾿
    κοφτός ο βράχος ίσια υψώνεται, λες κι είναι δουλεμένος.
    Στη μέση εκεί του θαλασσόβραχου, στραμμένη στο σκοτάδι,
    στα δυσμικά, μια μαύρη ανοίγεται σπηλιά᾿ και σεις εκείθε
    θα προσδιαβείτε λέω με τ᾿ άρμενο, περίλαμπρε Οδυσσέα.
    Να ρίξει κι ένας χεροδύναμος θνητός με το δοξάρι
    κάτωθε, απ᾿ τ᾿ άρμενο, δε δύνεται να φτάσει στην κουφάλα
    του σπήλιου. Μέσα η Σκύλλα κάθεται κι άγρια αλιχτάει᾿ κι αν είναι 
    σαν κουταβιού μικρού, νιογέννητου το γαύγισμά της, όμως
    ατή της άγριο είναι παράλλαμα᾿ θωρώντας τη μπροστά του
    κανείς δε θα ‘νιώθε αναγάλλιαση, κι αθάνατος αν ήταν.
    Έχει μαθές ποδάρια δώδεκα, μισερωμένα, κι έξι
    λαιμούς ψηλούς, κι από ‘να υψώνεται στις άκρες τους κεφάλι
    τρομαχτικό, που ανοιεί το στόμα του με τρεις αράδες δόντια
    πυκνά, σφιχτοδεμένα, θάνατο που ξεχειλίζουν μαύρο.
    Με το μισό κορμί της κρύβεται στο βαθουλό το σπήλιο,
    κι απ᾿ τα φριχτά του βάθη βγάζοντας τις κεφαλές της όξω
    ψαρεύει αυτού, στο βράχο ολόγυρα γυρεύοντας δελφίνια,
    σκυλόψαρα, για κι αν τρανότερο θεριόψαρο τσακώσει,
    από τα μύρια που η βαριόμουγκρη θεά Αμφιτρίτη βόσκει.
    Δε βρίσκεται άρμενο που οι ναύτες του να παινευτούν πως φύγαν
    από το πλοίο το γαλαζόπλωρο και το τραβάει μαζί του.
    Ο άλλος ωστόσο θαλασσόβραχος τόσο αψηλός δεν είναι
    κι ουδέ μακριά απ᾿ τον πρώτο᾿ αν έριχνες, τον έφτανε η σαγίτα.
    Μια αγριοσυκιά κει πέρα βρίσκεται μεγάλη, φυλλωμένη,
    κι η Χάρυβδη η θεϊκιά στη ρίζα της αναρουφάει το κύμα.
    Τρεις το ξερνάει κάθε μερόνυχτο φορές και τρεις βρουχιώντας
    το αναρουφάει᾿ να μη σου τύχαινε να ‘σαι, ως ρουφάει, κοντά της,
    τι απ᾿ το χαμό δε θα σε γλίτωνε μηδέ κι ο Κοσμοσείστης!
    Γι᾿ αυτό στης Σκύλλας κοντοζύγωσε το βράχο το καράβι
    και πέρνα γρήγορα᾿ καλύτερα πολύ από τ᾿ άρμενό σου
    να λείψουν έξι μόνο σύντροφοι παρά να λείψουν όλοι.᾿


Ηλιακός Άνεμος

Ο ηλιακός άνεμος και η αλληλεπίδρασή του με τη Γήινη μαγνητόσφαιρα.

Ο ηλιακός άνεμος είναι ένα ρεύμα ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων που ρέουν από την ανώτερη ατμόσφαιρα του Ήλιου προς το Διάστημα.

Ο ήλιος εκτοξεύει ακατάπαυστα πλάσμααποτελούμενο κυρίως από πρωτόνια και ηλεκτρόνια,  προς όλες τις κατευθύνσεις, μορφοποιώντας την ηλιόσφαιρα, μια τεράστια φυσαλίδα που περιβάλει το ηλιακό σύστημα.Οι ιδιότητές του ηλιακού ανέμου δεν είναι σταθερές. Το στέμμα, το εξωτερικό στρώμα του ήλιου, φτάνει σε θερμοκρασίες που φτάνουν στους 2.106 Κ. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, η βαρύτητα του ήλιου δεν μπορεί να συγκρατήσει τα ταχέως κινούμενα σωματίδια του πλάσματος, με αποτέλεσμα να διαστέλλεται προς τον Μεσοπλανητικό Χώρο με την μορφή αστρικού ανέμου. Η ηλιακή δραστηριότητα μετατοπίζεται κατά την διάρκεια του 11-ετούς κύκλου του ήλιου, ώστε ο αριθμός των ηλιακών κηλίδων, τα επίπεδα της ακτινοβολίας και το εκτινασσόμενο υλικό να αλλάζουν με την πάροδο του hχρόνου. Αυτές οι μεταβολές επηρεάζουν τις ιδιότητες του ηλιακού ανέμου, συμπεριλαμβανομένων των μαγνητικών του ιδιοτήτων, της θερμοκρασίας, της πυκνότητας και της ταχύτητάς του. Ο ηλιακός άνεμος επίσης διαφοροποιείται ανάλογα με το μέρος του ήλιου από το οποίο προέρχεται και το πόσο γρήγορα περιστρέφεται αυτό. 

Ηλιακός Άνεμος. Αλληλεπίδραση
με Γήινη Μαγνητόσφαιρα.

Ο ηλιακός άνεμος είναι υπερηχητικός με μέση ταχύτητα περίπου 400 km/s (4.105m/s). Με αυτήν την ταχύτητα, μία ποσότητα πλάσματος χρειάζεται περίπου 4 ημέρες για να φτάσει από τον Ήλιο στη Γη.  Ωστόσο στον ηλιακό άνεμο παρατηρούνται ροές δύο ταχυτήτων, έτσι ώστε να μιλάμε για αργό και για γρήγορο ηλιακό άνεμο.

Γιγάντια Στεμματική Οπή κοντά στον Βόρειο Ηλιακό Πόλο φωτογραφημένη από την ΝΑΣΑ στις 18 Ιουλίου, 2013.

Η ταχύτητα του ηλιακού ανέμου είναι μεγαλύτερη πάνω από τις Στεμματικές Οπές (δηλαδή τις σκοτεινές περιοχές του Ηλιακού Στέμματος – Coronal Holes) με τιμές που κυμαίνονται από 4.105 m/s έως 8.105 m/s. Η θερμοκρασία και η πίεση πάνω από τις στεμματικές οπές είναι χαμηλές και το μαγνητικό πεδίο ασθενές, ώστε οι δυναμικές μαγνητικές γραμμές προς το διάστημα να είναι ανοιχτές. Οι οπές αυτές εμφανίζονται στους πόλους και τα χαμηλά γεωγραφικά πλάτη και μεγιστοποιούνται όταν η ηλιακή δραστηριότητα βρίσκεται στο ελάχιστο. Οι θερμοκρασίες του γρήγορου ανέμου μπορούν να ανέλθουν στους 8.105 Κ. Είναι αρκετά σταθερός και χαρακτηρίζεται από χαμηλή μέση πυκνότητα (περίπου 3 ιόντα/cm3) στην 1AU. Περί το 4% των σωματιδίων του ανέμου είναι He.

Κατά το ηλιακό ελάχιστο, στην ζώνη γύρω από τον ισημερινό, και κατά το ηλιακό μέγιστο στις ενεργές περιοχές, ο ηλιακός άνεμος ταξιδεύει πιο αργά, με ταχύτητες που κυμαίνονται από 2,5.105 m/s έως 4.105 m/s. Οι θερμοκρασίες στον αργό άνεμο ανέρχονται στα 1,6.106 K. Η πυκνότητά του είναι 8 ιόντα/cm3 στη 1 AU και η πυκνότητα ροής του διπλάσια από αυτήν του γρήγορου ηλιακού ανέμου. Σε αντίθεση με τον γρήγορο ηλιακό άνεμο, ο αργός ηλιακός άνεμος είναι έντονα μεταβλητός και τυρβώδης.

Η εικόνα δείχνει τις μαγνητικές γραμμές του Ήλιου που εκτείνονται από ολόκληρη την επιφάνειά του προς τον Μεσοπλανητικό Χώρο.

Αλληλεπίδραση με την Γη


Παρόλο που ο ήλιος βρίσκεται σε απόσταση 149 εκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη, η ακατάπαυστη δραστηριότητά του έχει ως αποτέλεσμα μια διαρκή αλληλεπίδραση μαζί της, πέρα από το ορατό φως και την θερμότητα που της προσφέρει. Από τον σταθερό ηλιακό άνεμο ως τους απρόβλεπτους βομβαρδισμούς από τις ηλιακές εκλάμψεις (Solar Flares) και τις στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας (Coronal Mass Ejection), η Γη αισθάνεται συχνά την δραστηριότητα της αστρικής της συντρόφου.

Καθώς ο άνεμος απομακρύνεται από τον ήλιο, μεταφέροντας ταχέως κινούμενα φορτισμένα σωματίδια, μεταφέρει «παγωμένο» το μαγνητικό πεδίο του ήλιου. Συνεπώς, ο μαγνητισμένος ηλιακός άνεμος πλάσματος, παρασύρει προς το διάστημα το Ηλιακό Μαγνητικό Πεδίο, σχηματίζοντας το Διαπλανητικό Μαγνητικό πεδίο.  Κατευθυνόμενος προς όλες τις διευθύνσεις, φτάνει και στη Γη, περικυκλώνοντάς την συνεχώς και προκαλεί ορισμένα ενδιαφέροντα φαινόμενα.

Όταν η ύλη που μεταφέρει ο ηλιακός άνεμος φτάνει στην επιφάνεια ενός πλανήτη, η ακτινοβολία του μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ζημιά σε κάθε ίχνος ζωής που πιθανόν υπάρχει εκεί. Το γήινο μαγνητικό πεδίο, λειτουργεί σαν ασπίδα, ανακατευθύνοντας το υλικό γύρω από τον πλανήτη, έτσι ώστε να ρέει πέρα από αυτόν. Η «δύναμη» του ηλιακού ανέμου, παραμορφώνει το μαγνητικό πεδίο της Γης, ώστε αυτό να συμπιέζεται προς την κατεύθυνση του ήλιου, δηλαδή στην ηλιόλουστη μεριά της Γης, και να επεκτείνεται προς την αντίθετη μεριά, εκείνην της νύχτας.

H μαγνητική προστατευτική ασπίδα της Γης.  Τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου 
εκτρέπονται από αυτήν ώστε να μην φτάνουν στην Γη. Στην εικόνα φαίνεται το στάσιμο 
τοξοειδές κρουστικό κύμα (Bow Shock) που δημιουργείται, καθώς τα ταχέως κινούμενα σωματίδια του ηλιακού ανέμου επιβραδύνονται απότομα από την μαγνητόσφαιρα της Γης.

Μερικές φορές ο ήλιος εκτινάσσει μεγάλες ποσότητες πλάσματος με κολοσσιαίες εκρήξεις, γνωστές ως στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας.  Πιο συχνές κατά την περίοδο μέγιστης δραστηριότητας του ηλιακού κύκλου, γνωστή ως ηλιακό μέγιστο, οι στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας έχουν ισχυρότερες επιπτώσεις στη Γη από τον κοινό ηλιακό άνεμο.

Όταν ο ηλιακός άνεμος μεταφέρει υλικό από εκτοξεύσεις μάζας ή άλλες ισχυρές εκρήξεις ακτινοβολίας στο μαγνητικό πεδίο ενός πλανήτη, μπορεί να προκαλέσει συμπίεση του πεδίου πίσω από τον πλανήτη (στην σκοτεινή του πλευρά)  και επανασύνδεση των μαγνητικών γραμμών. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται μαγνητική επανασύνδεση. Τα φορτισμένα σωματίδια του ηλιακού ανέμου ρέουν πίσω, προς τους μαγνητικούς πόλους του πλανήτη, προκαλώντας όμορφους σχηματισμούς στην ανώτερη ατμόσφαιρα, γνωστούς ως Πολικό Σέλας (βόρειο και νότιο).

Βόρειο Σέλας πάνω από το Ivalo, Βόρεια Λαπωνία, Φινλανδία, 22 Ιανουαρίου, 2012
Βόρειο Σέλας στο Kattfjord της Νορβηγίας
Βόρειο Σέλας πάνω από την Βόρεια Νορβηγία, 22 Ιανουαρίου, 2012

Παρόλο που μερικά ουράνια σώματα προστατεύονται από το μαγνητικό τους πεδίο, κάποια άλλα δεν τυγχάνουν τέτοιας προστασίας. Η σελήνη, για παράδειγμα, ο δορυφόρος της Γης, δεν έχει ασπίδα προστασίας και για τον λόγο αυτόν είναι ακάλυπτη στις «διαθέσεις» του ηλιακού ανέμου. Ο Ερμής, ο κοντινότερος σε μας πλανήτης, έχει μαγνητικό πεδίο που τον προασπίζει από τον κανονικό μέσο ηλιακό άνεμο, αλλά όχι από τις πιο ισχυρές αναλάμψεις όπως οι στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας.

Όταν το γρήγορο και το αργό ρεύμα ανέμου αλληλεπιδρούν (συγκεκριμένα όταν ένα γρήγορο ρεύμα συναντήσει ένα προπορευόμενο αργό), δημιουργούν περιοχές υψηλής πυκνότητας, γνωστές ως (συν)περιστρεφόμενες περιοχές αλληλεπίδρασης, που πυροδοτούν γεωμαγνητικές καταιγίδες, όταν αλληλεπιδρούν με την ατμόσφαιρα της Γης.

Περιστρεφόμενη Περιοχή Αλληλεπίδρασης. Διακρίνεται η δημιουργία δύο κρουστικών κυμάτων αλληλεπίδρασης γρήγορου και αργού ρεύματος ηλιακού ανέμου, του ηγούμενου (Forward Wave) και του ανάστροφου (Reverse Wave) και η μεταξύ τους συν-περιστρεφόμενη περιοχή.

«Lucy», ένα Διαμάντι στον Ουρανό…

H «πολύτιμη» μεταμόρφωση ενός λευκού νάνου.

Διαβάζοντας πρώτη φορά για την Lucy, μου ήρθε στο νου το «Μαγικό Λυχνάρι του Αλαντίν», όπου το λυχνάρι έπρεπε να το πάρει κάποιος με αδαμάντινο χαρακτήρα και καθαρή ψυχή. Ίσως όχι και τόσο άτοπο, μιας και… τα μυστήρια του κόσμου μοιάζουν να συναντιόνται στην βάση του.

Στην Lucy, λοιπόν, εδράζεται το μεγαλύτερο διαμάντι που παρατηρήθηκε ποτέ από άνθρωπο. Φυσικά, δεν βρίσκεται στην Γη, αλλά μακριά, στον Γαλαξία μας. Ίσως φανεί παράξενο, όμως είναι το πτώμα του αστέρα BMP 37093, ενός λευκού νάνου, που βρίσκεται σε απόσταση 50 ετών φωτός από τη Γη, σε μια περιοχή του ουρανού που ανήκει στον αστερισμό του Κενταύρου. Πρόκειται δηλαδή για την «πεπιεσμένη», γερασμένη καρδιά ενός αστέρα, που κάποτε ήταν λαμπρός σαν τον ήλιο μας και προς το τέλος της ζωής του, αφού χρησιμοποίησε όλα τα διαθέσιμα πυρηνικά του καύσιμα, άρχισε σταδιακά να σβήνει και να συρρικνώνεται.

Η Lucy βρίσκεται σε απόσταση περίπου 50 ετών φωτός από τη Γη μας.

Ένα έτος φωτός είναι η απόσταση στην οποία ταξιδεύει το φως στο διάστημα σε ενός έτους.
Ισούται με 5,87 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα.

Ο λευκός αυτός παλλόμενος νάνος, είναι ένα τεράστιο κομμάτι κρυσταλλικού άνθρακα στην καρδιά του οποίου βρίσκεται ένα πολύτιμο διαμάντι που ζυγίζει 10 δις-τρις-τρις (1034) καράτια. Η αξία του είναι πραγματικά ανυπολόγιστη, αν σκεφτούμε το γεγονός πως οι μεγαλύτεροι πολύτιμοι λίθοι που έχουν βρεθεί μέχρι σήμερα στην Γη, είναι το Διαμάντι του Χρυσού Ιωβηλαίου, 545 καρατίων, που ανακαλύφθηκε το 1985 στη Νότια Αφρική και βρίσκεται στο Βασιλικό Παλάτι της Ταϊλάνδης και το Αστέρι της Αφρικής, 530 καρατίων, το οποίο δωρήθηκε το 1905 στον Μονάρχη της Βρετανίας Έντουαρντ Ζ’ και αποτελεί μέχρι σήμερα μέρος των κοσμημάτων του Βρετανικού Στέμματος.

Μετά την ανακάλυψή του αστέρα BMP 37093, το 2004, οι αστρονόμοι του έδωσαν το όνομα «Lucy», χάρη στο τραγούδι των Beatles «Lucy in The Sky with Diamonds», που γράφτηκε από τον John Lennon το 1967.

Η αδαμάντινη καρδιά της Lucy.

Το γιγάντιο αυτό – για τα ανθρώπινα μέτρα – διαμάντι, δεν είναι παρά ένα μικροσκοπικό – για τα κοσμολογικά δεδομένα- συμπαγές ουράνιο σώμα, με διάμετρο της τάξης των 4.000 χιλιομέτρων, δηλαδή περί τα 2/3 της Γήινης διαμέτρου ή – για να μπορέσουμε να κάνουμε μια «αστρική» σύγκριση – μόλις τα 3/1000 της Ηλιακής διαμέτρου.  Αυτό σημαίνει ότι η μάζα της Lucy, περίπου ίση με την Ηλιακή, είναι συγκεντρωμένη σε μια πολύ μικρή κοσμική μπάλα. Είναι πλέον πολύ αμυδρή, φωτοβολώντας μόνο με το 1/2000 της οπτικής λαμπρότητας του Ήλιου.

Η Lucy, όπως όλοι οι λευκοί νάνοι, πιθανότατα αποτελείται κυρίως από Άνθρακα και Οξυγόνο, προϊόντα των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης πυρήνων ηλίου, που έλαβαν χώρα στο παρελθόν. Περιβάλλεται από μία πολύ λεπτή ατμόσφαιρα από Υδρογόνο και Ήλιο.

Από την δεκαετία του ’60 οι αστρονόμοι υποψιάζονταν ότι το εσωτερικό των λευκών νάνων αποκτά κρυσταλλική δομή, πράγμα που ο BMP 37093 φαίνεται να επιβεβαιώνει.

Καθώς ένα αστέρι όπως η Lucy ή ακόμη ο ήλιος μας πεθαίνει, ακτινοβολεί στο διάστημα ενέργεια που δεν μπορεί να αναπληρώσει, καθώς τα καύσιμά του έχουν καταναλωθεί. Έτσι, αργά αλλά σταθερά, κρυώνει. Ένα τέτοιο άστρο αρχίζει να πάλλεται όταν η θερμοκρασία της επιφάνειας του πυρήνα του πέσει περίπου στους 12.000 βαθμούς Κέλβιν. 

H Lucy, λοιπόν, πάλλεται σαν ένα γιγάντιο γκονγκ. Οι εσωτερικοί της παλμοί μοιάζουν με τα σεισμικά κύματα στο εσωτερικό της Γης. Οι Αστρονόμοι κατάφεραν να μετρήσουν τους παλμούς αυτούς, όπως περίπου οι γεωλόγοι, με την χρήση σεισμογράφων, μετρούν τους σεισμούς στο γήινο εσωτερικό. Οι μετρήσεις τους βοήθησαν να εξερευνήσουν το κρυμμένο εσωτερικό της Lucy, υποδεικνύοντας ότι είναι στερεοποιημένο (κρυσταλλικό) έτσι ώστε να σχηματίσει το μεγαλύτερο διαμάντι του Γαλαξία.  

H Lucy δεν είναι ορατή στη Γη με γυμνό οφθαλμό. Μπορεί να παρατηρηθεί καλύτερα από το Νότιο Ημισφαίριο από τον Μάρτιο ως τον Ιούνιο. Οι αστρονόμοι υπολογίζουν ότι σε 5 δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα, ο ήλιος μας, αφού διασχίσει «γρήγορα» τον κλάδο των Ερυθρών Γιγάντων, θα πεθάνει, καταλήγοντας σε έναν λευκό νάνο. Έπειτα από περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια, ο ρευστός πυρήνας του θα κρυσταλλωθεί επίσης, αφήνοντας ένα τεράστιο διαμάντι, αμύθητης αξίας, στο κέντρο του ηλιακού μας συστήματος.

Ουράνια Σώματα: Καινοφανείς Αστέρες

Χαρακτηριστικά και μηχανισμός σχηματισμού των εκρηκτικώς μεταβλητών αστέρων.

Πρόκειται για έναν εκρηκτικώς μεταβλητό αστέρα.

Ως καινοφανής (stella nova), χαρακτηρίζεται ένας αστέρας, που εμφανίζει απότομη μεταβολή της φωτεινότητας και της φαινόμενης λαμπρότητάς του.

Εμφανίζεται ξαφνικά σε μια περιοχή του ουρανού, όπου συνήθως υπήρχε ένα άστρο αόρατο δια γυμνού οφθαλμού, αυξάνοντας την φαινόμενη λαμπρότητά του από 7 μέχρι και 12 μεγέθη σε χρονικό διάστημα που διαφέρει για κάθε καινοφανή και κυμαίνεται από 1 έως 100 ημέρες. Στη συνέχεια επιστρέφει αργά στην αρχική του λαμπρότητα, σε διάστημα ημερών, εβδομάδων ή και μηνών. Σε γενικές γραμμές οι ταχύτεροι novae είναι ισχυρότεροι.

Οι εκρήξεις των καινοφανών είναι βίαιες κι εκτοξεύουν στον μεσοαστρικό χώρο μεγάλα ποσά ύλης κι ενέργειας. Μία καινοφανής ανάλαμψη μπορεί να απελευθερώσει σε διάστημα μερικών εκατοντάδων ημερών όση ενέργεια απελευθερώνει ο ήλιος σε περισσότερα από 105 έτη. Ωστόσο δεν μπορούν να συγκριθούν σε ισχύ με εκείνες των υπερκαινοφανών αστέρων (supernova), καθώς η αποβολή υλικού είναι πολύ μικρότερη (περίπου 10-4 – 10-5 ηλιακές μάζες με ταχύτητα ~103 km/s) και αφήνει το σύστημα σχεδόν αναλλοίωτο. Για τον λόγο αυτόν η καινοφανής ανάλαμψη είναι δυνατόν να επαναληφθεί.

Οι καινοφανείς εκρήξεις λαμβάνουν χώρα στα επιφανειακά στρώματα αστέρων που στην προ-nova φάση τους ήταν λευκοί νάνοι ή υπονάνοι. Στο διάγραμμα Hertzsprung – Russell οι καινοφανείς αστέρες βρίσκονται συνήθως κάτω από την Κύρια Ακολουθία και πάνω από τους λευκούς νάνους.

Η συχνότητα εμφάνισής τους στην Ουράνια Σφαίρα είναι μικρή. Σε γενικές γραμμές παρατηρούνται περί τους 40 καινοφανείς ανά έτος. Στον Γαλαξία μας υπολογίζεται πως αναλάμπoυν 50 καινοφανείς ανά έτος από τους οποίους είναι παρατηρήσιμοι 2 έως 3.

Οι καινοφανείς αποτελούν ένα ακόμη πολύτιμο εργαστήριο της φύσης, η παρατήρηση και μελέτη του οποίου συμβάλλει εξαιρετικά στην κατανόηση ενός ευρέου φάσματος αστροφυσικών φαινομένων. Τέτοια φαινόμενα είναι για παράδειγμα η μεταφορά μάζας σε στενά δυαδικά αστρικά συστήματα, οι θερμοπυρηνικές εκρήξεις (nuclear powered outbursts), ο σχηματισμός σκόνης, η απώλεια μάζας από ερυθρούς γίγαντες και πολλά άλλα.

Όπως θα δούμε στη συνέχεια, οι επαναληπτικοί καινοφανείς έχουν προταθεί ως πρόδρομοι (προγεννήτορες) των Supernovae Ia αναλάμψεων.

Εξάλλου η συστηματική εξερεύνηση των νεφελωδών υπολειμμάτων των καινοφανών μπορεί, μέσω της μελέτης των οπτικών εικόνων (όπου είναι διαθέσιμες), της φασματοσκοπικής τους ανάλυσης και της σύγκρισης των παρατηρησιακών δεδομένων με τα υπάρχοντα μοντέλα, να έχει μία ευρύτερη -της προφανούς- εφαρμογή, όπως για παράδειγμα στην κατανόηση του τρόπου σχηματισμού των πρωτοπλανητικών νεφελωμάτων.

Ιστορικά στοιχεία


Η ονομασία των καινοφανών αστέρων οφείλεται μάλλον στον αστρονόμο Τύχωνα Μπραχέ (Tycho Brahé ), ο οποίος το 1572 μ.Χ. εντόπισε τον υπερκαινοφανή που φέρει το όνομά του, στην περιοχή του αστερισμού της Κασσιόπης, αποδίδοντάς του το όνομα nova stella (νέο αστέρι).

Καθώς οι καινοφανείς εμφανίζονται ξαφνικά σε ένα σημείο, όπου προηγουμένως δεν φαινόταν να υπάρχει τίποτε, έδιναν την εντύπωση στους αστρονόμους του μεσαίωνα ότι επρόκειτο για καινούρια άστρα. Ουσιαστικά όμως αποτελούν γερασμένους αστέρες, η ανάλαμψη των οποίων είναι ένα μεγαλειώδες σημάδι του τέλους που πλησιάζει.

Παρόλο που οι καινοφανείς αναλάμψεις έχουν παρατηρηθεί εδώ και 2.000 χρόνια, μόνο σχετικά πρόσφατα άρχισε να γίνεται κατανοητός ο μηχανισμός δημιουργίας τους.

  • Το 1866 οι Haggins και Miller παρουσιάζουν την πρώτη οπτική φασματοσκοπική μελέτη καινοφανούς.
  • Το 1901 ο Sidgreaves βρίσκει φασματικές γραμμές Νέου 3869, 3968 Ǻ στον nova GK Per, κάνοντας λόγο για διαφορετικούς (χημικά) τύπους καινοφανών.
  • Οι Pickering (1894), Pike (1929) και άλλοι ερμηνεύουν τα φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά των καινοφανών με την εκτίναξη ενός αερίου κελύφους από τον αστέρα.
  • Οι Stratton και Manning το 1939 υποδεικνύουν ότι το ελάχιστο της καμπύλης φωτός των καινοφανών οφείλεται στον σχηματισμό σκόνης.
  • Ο Schatzmann το 1951 διατυπώνει την άποψη ότι η έκρηξη προκαλείται από πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης [3He]
  • Ο Walker το 1954 ανακαλύπτει την δυαδική φύση των καινοφανών.
  • Ο Robert Kraft (1963, 1964) αποδεικνύει ότι η δυαδικότητα είναι μια κοινή ιδιότητα των κατακλυσμικών μεταβλητών (των καινοφανών συγκεκριμένα), συμβάλλοντας αποφασιστικά στην εξέλιξη των ιδεών του μηχανισμού δημιουργίας των novae-εκρήξεων.
  • Ο Sparks το 1969 παρουσιάζει την πρώτη υδροδυναμική προσομοίωση μιας καινοφανούς ανάλαμψης.

Μηχανισμός δημιουργίας έκρηξης καινοφανούς

Την θεωρία του Kraft για τους novae ενστερνίστηκαν πολλοί αστρονόμοι, καθώς φαίνεται να αποτελεί μια αρκετά καλή προσέγγιση της πραγματικότητας και να συμφωνεί με τις φασματοσκοπικές παρατηρήσεις.

Τροχιές διπλού συστήματος αστέρων

Σύμφωνα λοιπόν με την κρατούσα άποψη, οι καινοφανείς εκρήξεις είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης αστέρων που είναι μέλη διπλών ημιαποχωρισμένων συστημάτων, οι οποίοι λόγω της αμοιβαίας βαρυτικής τους αλληλεπίδρασης περιστρέφονται συγχρονισμένα γύρω από το κοινό κέντρο μάζας τους (έτσι ώστε να έχουν την ίδια περίοδο περιφοράς και περιστροφής), και στους οποίους ο θερμός αστέρας (αποχωρισμένο μέλος) συσσωρεύει υλικό από τον ψυχρό συνοδό του.

Κατά την οπτική παρατήρηση τέτοιων συστημάτων, δεν μπορούμε να διακρίνουμε τα δύο μέλη. Έτσι, εμφανίζονται στον ουρανό ως σημειακή πηγή.

Εφόσον τα μέλη των διπλών και πολλαπλών συστημάτων εκτιμάται ότι υπερβαίνουν το 60% του συνόλου των αστέρων του Σύμπαντος, παρουσιάζει ενδιαφέρον η μελέτη της εξέλιξής τους, ιδιαίτερα εκείνων που συσχετίζονται με τις καινοφανείς εκρήξεις και που ανήκουν στα στενά δυαδικά αστρικά συστήματα (με τον όρο στενά δυαδικά αστρικά συστήματα, χαρακτηρίζονται γενικά ζεύγη αστέρων η απόσταση των οποίων είναι τέτοια ώστε η εξέλιξή τους να μην είναι ανεξάρτητη). Αποτελούνται από αστέρες, μεταξύ των οποίων ο ένας παρουσιάζει ταχύτερη εξέλιξη από τον άλλον, καταλήγοντας σε ένα μικρό, συμπαγές αντικείμενο (Λευκός Νάνος). Το άλλο μέλος είναι ένας αστέρας μικρής επιφανειακής θερμοκρασίας που έχει εξαντλήσει τα πυρηνικά του αποθέματα υδρογόνου και διογκούμενο μετατρέπεται σε υπογίγαντα.

Σύστημα Ημι-αποχωρισμένων Δυαδικών Αστέρων

Καθώς το σύστημα των αστέρων χάνει τροχιακή στροφορμή, εξ’ αιτίας του αστρικού ανέμου, τα δύο μέλη πλησιάζουν ολοένα μεταξύ τους. Η εξέλιξη αστέρων τέτοιων στενών δυαδικών συστημάτων, οι οποίοι όπως προαναφέρθηκε περιφέρονται συγχρονισμένα, περιγράφεται πολύ καλά με το γεωμετρικό μοντέλο του Roche. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, κάθε αστέρας του συστήματος χαρακτηρίζεται από μία ισοδυναμική επιφάνεια, η οποία οριοθετεί την περιοχή γύρω του, όπου το υλικό είναι βαρυτικά παγιδευμένο από αυτόν και ονομάζεται λοβός Roche. Ο λοβός Roche ουσιαστικά οριοθετεί το μέγιστο μέγεθος που μπορεί να έχει ο αστέρας, ώστε να μην λαμβάνει χώρα μεταφορά μάζας προς τον συνοδό του. Το σημείο στο οποίο τέμνονται οι λοβοί Roche ενός διπλού συστήματος αστέρων βρίσκεται πάνω στην ευθεία που ενώνει τα κέντρα των δύο αστέρων και ονομάζεται πρώτο σημείο Lagrange (L1).

Ο μηχανισμός μιας (καινοφανούς) Νοβα ανάλαμψης

Επιστρέφοντας στο σύστημά μας, που οδεύει προς καινοφανή ανάλαμψη, σημειώνουμε ότι καθώς ο υπογίγαντας αστέρας διογκώνεται, «γεμίζει» κάποτε τον λοβό Roche. Οι παλιρροϊκές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των δύο αστέρων, έχουν σαν αποτέλεσμα την ροή της μάζας που υπερχειλίζει τον λοβό Roche, από τον συνοδό αστέρα προς τον λευκό νάνο, δια μέσω του σημείου L1.

Λόγω της διατήρησης της στροφορμής, το υλικό αυτό δεν μπορεί να φτάσει κατευθείαν στην επιφάνεια του λευκού νάνου. Έτσι σε συστήματα των οποίων ο Λευκός Νάνος δεν διαθέτει ένα σημαντικό Μαγνητικό Πεδίο, το προσπίπτον αέριο δημιουργεί γύρω του έναν δίσκο ύλης, ο οποίος ονομάζεται δίσκος επαύξησης ή συσσώρευσης (accretion disk) που συνήθως επισκιάζει τα δύο άστρα στο ορατό φως.

Σχηματισμός Δίσκου Επαύξησης

Για την κατανόηση του τρόπου μεταφοράς της μάζας από τον συνοδό προς τον πρωτεύοντα αστέρα και των φαινομένων που αυτή συνεπάγεται, είναι σημαντικό να τονιστεί ότι αυτή δεν προστίθεται απλά σε ένα «κανονικό» αστέρα της Κύριας Ακολουθίας, αλλά ουσιαστικά καταποντίζεται προς ένα μικροσκοπικό ουράνιο σώμα με τεράστια πυκνότητα ύλης σε εκφυλισμένη μορφή (ένας λευκός νάνος έχει μάζα συγκρίσιμη με την ηλιακή και διαστάσεις συγκρίσιμες με τις γήινες).

Ο δίσκος επαύξησης (συσσώρευσης) μάζας που σχηματίζεται γύρω από τον λευκό νάνο, ομοιάζει σε πολλά σημεία με τον δίσκο επαύξησης που σχηματίζεται γύρω από έναν πρωτοαστέρα. Όπως και κατά την διαδικασία σχηματισμού ενός αστέρα, ο δίσκος αυτός ουσιαστικά παρέχει έναν απαραίτητο «σταθμό» στην πορεία του υλικού που κατευθύνεται προς τον λευκό νάνο, καθώς η στροφορμή του είναι μεγάλη ώστε να μπορεί απλά να «προσγειωθεί» στην επιφάνειά του.

Το βαρυτικό πεδίο του λευκού νάνου είναι ιδιαίτερα ισχυρό με αποτέλεσμα το υλικό του συνοδού αστέρα που καταλήγει σε αυτόν, ουσιαστικά να πέφτει προς μια απίστευτα βαθιά βαρυτική «παγίδα». Η διαδικασία αυτή απελευθερώνει ένα τεράστιο ποσό βαρυτικής δυναμικής ενέργειας που μετατρέπεται σε Θερμική Ενέργεια. Η θερμοκρασία του σημείου στο οποίο η ροή του υλικού συναντά τον δίσκο επαύξησης μπορεί να ανέλθει σε μερικά εκατομμύρια βαθμούς Kelvin, με αποτέλεσμα να ακτινοβολεί έντονα, τόσο στην υπεριώδη περιοχή όσο και στην περιοχή των ακτίνων – Χ του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Τελικά το υλικό που προσωρινά σταθμεύει στον δίσκο επαύξησης εξαναγκάζεται σε σπειροειδή τροχιά προς την επιφάνεια του θερμού – εκφυλισμένου λευκού νάνου και συμπιέζεται από το τεράστιο Βαρυτικό Πεδίο του, αποκτώντας πυκνότητα που αγγίζει εκείνην του ίδιου του αστέρα. Καθώς συσσωρεύεται υλικό στην επιφάνειά του λευκού νάνου, αρχίζει να συρρικνώνεται. Η πυκνότητά του ολοένα αυξάνεται ενώ η συνεχιζόμενη απελευθέρωση βαρυτικής δυναμικής ενέργειας θερμαίνει περισσότερο τον αστέρα.

Υπό την προϋπόθεση ότι τo υλικό του δίσκου επαύξησης του λευκού νάνου προέρχεται από τα ανώτερα στρώματα του συνοδού αστέρα, στα οποία δεν έχει ξεκινήσει ακόμη η καύση του Υδρογόνου προς βαρύτερα στοιχεία, συνάγεται το συμπέρασμα ότι είναι πλούσιο σε Υδρογόνο (Η) και δευτερευόντως σε Ήλιο (He).

Έτσι, καθώς η πυκνότητα του άστρου αυξάνεται, η θερμοκρασία ανέρχεται στο σημείο πυροδότησης της καύσης του Υδρογόνου. Όμως εδώ δεν πρόκειται για την ελεγχόμενη σύντηξη του υδρογόνου που λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό του ήλιου αλλά για μία ανεξέλεγκτη διεργασία εκρηκτικών θερμοπυρηνικών αντιδράσεων, η οποία για θερμοκρασίες σχετικά μικρές (Τ<107 Κ), λαμβάνει χώρα σε αέριο που βρίσκεται σε εκφυλισμένη κατάσταση, δηλαδή δεν υπακούει στους νόμους των ιδανικών αερίων και η πίεση είναι ανεξάρτητη της θερμοκρασίας και περίπου σταθερή.

Η διεργασία αυτή απελευθερώνει ταχύτατα μεγάλα ποσά ενέργειας που αυξάνει ακόμη περισσότερο την θερμοκρασία και αυτή με την σειρά της αυξάνει τον ρυθμό καύσης του Υδρογόνου. Όταν η θερμοκρασία υπερβεί το όριο των 107 Κ, ο εκφυλισμός αίρεται και η πίεση αυξάνει ανάλογα με την θερμοκρασία, όπως ακριβώς αναμένεται για ένα ιδανικό αέριο. Επομένως, από αυτό το σημείο και μετά, την ραγδαία αύξηση της θερμοκρασίας ακολουθεί μια εξίσου ραγδαία αύξηση της πίεσης.

Το αποτέλεσμα είναι μία μεγάλης ισχύος (nova) έκρηξη, που εκτινάσσει με πολύ μεγάλη ταχύτητα ένα λεπτό επιφανειακό στρώμα του αστέρα στο Διάστημα.

Καινοφανής (Νόβα)

Οι καινοφανείς φτάνουν στο μέγιστο της λαμπρότητάς τους σε λίγες μόνο ώρες, και για ένα σύντομο χρονικό διάστημα, μπορούν να είναι 5.106 φορές λαμπρότερος από τον ήλιο. Στις εβδομάδες που ακολουθούν την έκρηξη η φωτεινότητά τους μειώνεται γρήγορα. Μερικές φορές είναι δυνατόν να είναι ορατοί για αρκετά έτη. Σε αυτό το χρονικό διάστημα η λάμψη του διαστελλόμενου νέφους του υλικού που εκτοξεύτηκε, τροφοδοτείται από την διάσπαση των ραδιενεργών ισοτόπων που δημιουργούνται κατά την διάρκεια της ανάλαμψης.

Μετά την έκρηξη αποκαθίσταται εκ νέου η ροή μάζας από τον γίγαντα προς τον λευκό νάνο και είναι δυνατόν να προκληθεί νέα ανάλαμψη. Έτσι, η παραπάνω διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί αρκετές φορές, με υλικό που επικάθεται και αναφλέγεται επαναλαμβανόμενα στην επιφάνεια του λευκού νάνου.

Η χρονική περίοδος μεταξύ δύο διαδοχικών nova εκρήξεων εξαρτάται από τον ρυθμό συσσώρευσης ύλης στην επιφάνεια του λευκού νάνου. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι αναλάμψεις απέχουν χιλιάδες χρόνια, ώστε οι περισσότεροι έχουν παρατηρηθεί μόνο μια φορά κατά τους ιστορικούς χρόνους. Ωστόσο ορισμένοι καινοφανείς εκρήγνυνται εκ νέου σε πολύ κοντινά χρονικά διαστήματα (π.χ. μία φορά ανά δεκαετία).

Είναι πολύ πιθανόν, η επαναλαμβανόμενη αυτή διαδικασία σε ένα αστρικό δυαδικό σύστημα μικρής μάζας, να οδηγήσει τελικά στον σχηματισμό ενός δεύτερου λευκού νάνου και την δημιουργία ενός συστήματος δύο συμπαγών ουράνιων αντικειμένων.

Σήμερα πιστεύεται ότι η συν τω χρόνω προσαύξηση μάζας στον λευκό νάνο ενός κατακλυσμικού διπλού συστήματος αστέρων και η επαγόμενη αυτής εκρηκτική ανάφλεξη του άνθρακα (που είναι το κύριο συστατικό του), είναι η γενεσιουργός αιτία της κολοσσιαίας αστρικής ανάλαμψης κάποιων υπερκαινοφανών τύπου Ia.

Μετά από μία μακρόχρονη ροή μάζας από τον συνοδό αστέρα προς τον λευκό νάνο (διάρκειας εκατομμυρίων ετών), και πιθανότατα αμέτρητες καινοφανείς αναλάμψεις, η μάζα του λευκού νάνου αυξάνεται αργά. Όταν υπερβεί το όριο Chandrasekhar (1,4 ηλιακές μάζες), η θερμοκρασία του έχει αυξηθεί τόσο ώστε να αρχίσουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης του Άνθρακα στον κεντρικό πυρήνα, οι οποίες γίνονται ταχύτατα και εκλύουν τεράστια ποσά ενέργειας που θερμαίνει και εκτινάσσει τα εξωτερικά στρώματα του Άστρου. Η έκρηξη είναι τόσο βίαιη που καταστρέφει ολοκληρωτικά τον λευκό νάνο, χωρίς να αφήσει πίσω της κάποιο συμπαγές υπόλειμμά του.

Ταξινόμηση καινοφανών

Μία τυπική ταξινόμηση των καινοφανών αστέρων περιλαμβάνει τις ακόλουθες κατηγορίες:

  • Κλασσικούς καινοφανείς (classical novæ). Στην κατηγορία αυτή ανήκουν καινοφανείς αστέρες για τους οποίους έχει παρατηρηθεί μία μόνο ανάλαμψη. Πρόκειται ουσιαστικά για καινοφανείς αστέρες οι διαδοχικές αναλαμπές των οποίων απέχουν 10.000-100.000 έτη. Η μεγάλη χρονική αυτή απόσταση, καθιστά αδύνατη την καταγραφή περισσότερων από μία αναλαμπών κατά τους ιστορικούς χρόνους. Η συμπεριφορά τους ερμηνεύεται ικανοποιητικά με το προαναφερθέν μοντέλο θερμοπυρηνικής έκρηξης του πλούσιου σε Υδρογόνο υλικού, το οποίο επισυσσωρεύεται στην επιφάνεια του πρωτεύοντος αστέρα (λευκού νάνου), σε ένα κλειστό δυαδικό σύστημα αστέρων.
  • Mικροκαινοφανείς ή νάνους καινοφανείς (dwarf novæ). Χαρακτηρίζονται έτσι θερμοί, μικρού μεγέθους μεταβλητοί αστέρες, που δίνουν ξαφνικές αναλάμψεις, εναλλασσόμενες με περιόδους ηρεμίας. Τα χρονικά διαστήματα μεταξύ των αναλάμψεων κυμαίνονται από 10 ημέρες έως μερικές δεκάδες έτη, Η διάρκεια μιας μέσης ανάλαμψης κυμαίνεται από 2 – 20 ημέρες. Διακρίνουμε τρεις υποκατηγορίες μικροκαινοφανών, ανάλογα με την μορφολογία της καμπύλης φωτός της ανάλαμψης:
    • Z-Cam (Ζ-Καμηλοπάρδαλης),
    • SU UMa (SU Μεγάλης Άρκτου),
    • U Gem (U Διδύμων).
  • Επαναληπτικούς καινοφανείς (recurrent novæ). Πρόκειται για καινοφανείς που δίνουν επαναλαμβανόμενες εκρήξεις, σε σύντομα σχετικά χρονικά διαστήματα, έτσι ώστε να έχουν καταγραφεί αρκετές από αυτές από Γήινους παρατηρητές. Είναι σημαντικοί διότι επιτρέπουν την παρατήρηση των καινοφανών αστέρων πριν και μετά το γεγονός της ανάλαμψης. Η διάκριση μεταξύ επαναληπτικών και νάνων καινοφανών γίνεται φασματοσκοπικά: στους επαναληπτικούς (όπως και στους κλασικούς καινοφανείς) εκτινάσσεται ένα αέριο κέλυφος με υψηλή ταχύτητα. Στους νάνους καινοφανείς δεν λαμβάνει χώρα βίαιη εκτίναξη ύλης, αλλά μπορεί να υπάρχει απλά ένας ενισχυμένος αστρικός άνεμος κατά τη διάρκεια της ανάλαμψης.
  • Καινοφανείς ακτίνων Χ (X-ray novæ). Ουράνιες πηγές ακτινων Χ, που εμφανίζονται ξαφνικά στον ουρανό, αυξάνοντας την ισχύ τους σε ένα διάστημα λίγων ημερών και στη συνέχεια εξασθενούν γοργά, με συνολική διάρκεια ζωής λίγων μηνών. Δεν εμφανίζουν σταθερή περιοδικότητα. Πρόκειται για διπλά, κλειστά συστήματα αστέρων, στα οποία το συμπαγές, πρωτεύον ουράνιο αντικείμενο, είναι ένας αστέρας νετρονίων ή μια μελανή οπή. Μια καινοφανής ανάλαμψη ακτίνων Χ δημιουργείται από μία ξαφνική, δραματική αύξηση της μάζας που προσπίπτει στον δίσκο επαύξησης του συμπαγούς αστέρα, συμπιέζεται και θερμαίνεται ισχυρά, εκπέμποντας ακτίνες Χ. Κατά την διάρκεια μίας ανάλαμψης, η οπτική λαμπρότητα επίσης αυξάνεται σημαντικά (έως και 5 μεγέθη), δίνοντας το χαρακτηριστικό φάσμα ενός λαμπερού δίσκου επαύξησης. Μια έκρηξη ακτίνων Χ είναι δυνατόν να συνοδεύεται από μία έκρηξη ραδιοκυμάτων. Σε ορισμένες περιπτώσεις έχουν ανακαλυφθεί πίδακες σχετικιστικής ύλης, όμοιοι με αυτούς των Ενεργών Γαλαξιακών Πυρήνων, αλλά πολύ μικρότεροι σε μέγεθος και ισχύ. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει ότι, πράγματι, μια εκρηκτική εκτίναξη μάζας εμφανίζεται ως αποτέλεσμα ξαφνικής προσαύξησης μάζας.
Καινοφανής ακτίνων-Χ
  • Καινοφανείς Ηλίου (Helium novæ). Καινοφανείς αναλάμψεις από το φάσμα των οποίων απουσιάζουν οι γραμμές του Υδρογόνου ενώ το αέριο που εκτοξεύεται εμφανίζεται εμπλουτισμένο σε Ήλιο και Άνθρακα. Η ύπαρξή τους προβλέφθηκε θεωρητικά από τους Kato, Saio & Hachisu, το 1989 (11 χρόνια, πριν την πανηγυρική τους επιβεβαίωση από τον καινοφανή V445 Puppis), ως μία καινοφανής έκρηξη που προκαλείται από μία αναλαμπή Ηλίου (Helium shell flash), στην επιφάνεια ενός λευκού νάνου. Η θεωρία τους περιλαμβάνει δύο περιπτώσεις προσαύξησης Ηλίου: Ροή Ηλίου από έναν μάλλον «ηλικιωμένο» συνοδό αστέρα ή ροή πλούσιας σε υδρογόνο ύλης από έναν κανονικό συνοδό αστέρα, με μεγάλο ρυθμό επισυσσώρευσης . Στην δεύτερη περίπτωση, ένα μέρος του πλούσιου σε υδρογόνο υλικού, μετατρέπεται σε Ήλιο και συσσωρεύεται στον λευκό νάνο. Όταν η μάζα του στρώματος Ηλίου φτάσει σε μια κρίσιμη τιμή, προκαλείται μία ασταθής, αδύναμη αναλαμπή Ηλίου. Σε έναν καινοφανή Ηλίου η απώλεια μάζας είναι σχετικά ασθενής ενώ το μεγαλύτερο μέρος του Ηλίου καίγεται προς Άνθρακα και Οξυγόνο, παραμένοντας στον λευκό νάνο. Μετά από πολλές περιοδικές αναλαμπές ηλίου, ο λευκός νάνος μεγαλώνει σταδιακά σε μάζα, καταρρέοντας εν τέλει σε έναν αστέρα νετρονίων ή εκρήγνυται ως υπερκαινοφανής τύπου Ia.

Πηγή

Ο Maxwell για τον Faraday

Στον πρόλογο του πασίγνωστου βιβλίου του James Maxwell Πραγματεία για τον Ηλεκτρισμό και τον Μαγνητισμό, το οποίο δημοσιεύτηκε το 1873, ο μεγάλος επιστήμονας εξαίρει το έργο του Michael Faraday, ένα έργο ασυνήθιστο, προερχόμενο από τον βαθύ, μαθηματικοποιημένο τρόπο ανάγνωσης του χώρου, ενός νου που δεν γνώριζε μαθηματικά !!

Ας σημειωθεί, ότι εδώ, ο Maxwell αποδεικνύεται μάλλον γενναιόδωρος ως προς τον Faraday, καθώς η αλήθεια είναι πως η παραγωγική μέθοδός του, δύσκολα μπορεί πλέον να αποδώσει καρπούς κι επιπροσθέτως ο ίδιος ήταν ο τελευταίος των μεγάλων ερευνητών που κατάφερε να συνεισφέρει ένα σημαντικό έργο στην επιστήμη του, αγνοώντας τα μαθηματικά

     Το παρακάτω απόσπασμα από την εισαγωγή της Πραγματείας του Maxwell, μεταφρασμένο στα Ελληνικά, είναι παρμένο από το βιβλίο Ιστορία της Φυσικής: Από την Πτώση των Σωμάτων ως τα Ραδιοκύματα, του Emilio Segre, εκδ. Δίαυλος, Αθήνα 1997.

Michael Faraday

«Η γενική πολυπλοκότητα της πραγματείας διαφέρει σημαντικά από εκείνη κάποιων σημαντικών έργων στον Ηλεκτρισμό, τα περισσότερα από τα οποία δημοσιεύθηκαν στη Γερμανία, και μπορεί να φανεί ότι επιχειρείται η απόδοση δικαιοσύνης στις υποθέσεις μερικών επιφανών ερευνητών του Ηλεκτρισμού και των Μαθηματικών. Ένας λόγος γι’ αυτό είναι ότι πριν αρχίσω τη μελέτη για τον Ηλεκτρισμό αποφάσισα να μη διαβάσω καθόλου Μαθηματικά σχετικά με το θέμα, μέχρι να μελετήσω το έργο του Faraday Πειραματικές Έρευνες στον Ηλεκτρισμό. Γνώριζα ότι υπήρχε μια υποτιθέμενη διαφορά ανάμεσα στον Faraday και στους Μαθηματικούς για τον τρόπο σύλληψης των φαινομένων, έτσι ώστε κανένας δεν ήταν ικανοποιημένος με τη γλώσσα του άλλου. Είχα επίσης την πεποίθηση πως η ασυμφωνία αυτή δεν σήμαινε ότι κάποια πλευρά ήταν λανθασμένη. Αρχικά πείστηκα από τον Sir William Thomson, που στις συμβουλές του, στη βοήθειά του, καθώς και στα δημοσιευμένα άρθρα του οφείλω τα περισσότερα απ’ όσα έμαθα σχετικά με το θέμα.

Όπως συνέχιζα με τη μελέτη του Faraday, αντιλήφθηκα ότι η μέθοδός του στη σύλληψη των φαινομένων ήταν επίσης μαθηματική, παρ’ όλο που δεν παρουσιάστηκε με το συμβατικό τρόπο χρήσης μαθηματικών συμβόλων. Έμαθα επίσης ότι οι μέθοδοι αυτές ήταν δυνατόν να εκφραστούν με τις συνήθεις μαθηματικές μορφές και έτσι να συγκριθούν με εκείνες των δεδηλωμένων μαθηματικών.

Για παράδειγμα, ο Faraday, με τα μάτια του νου του, είδε δυναμικές γραμμές να διαχωρίζουν όλο το χώρο, ενώ οι μαθηματικοί είδαν δυναμικά κέντρα έλξης από απόσταση: ο Faraday πρωτοαντιλήφθηκε τη βάση των φαινομένων σε πραγματικές δράσεις που συνέβαιναν στο μέσο, ενώ εκείνοι έμειναν ικανοποιημένοι που βρήκαν τη βάση των φαινομένων στη δύναμη της δράσης από απόσταση σε ηλεκτρικά ρευστά.

Όταν απέδωσα ό,τι θεωρούσα ιδέες του Faraday σε μαθηματική μορφή, ανακάλυψα ότι σε γενικές γραμμές τα αποτελέσματα των δύο μεθόδων συνέπιπταν, έτσι ώστε τα ίδια φαινόμενα να ερμηνεύονται, οι ίδιοι νόμοι δράσης να συνάγονται και από τις δύο μεθόδους, αλλά οι μέθοδοι του Faraday έμοιαζαν με εκείνες τις οποίες ξεκινάμε από μια γενικότητα και καταλήγουμε στα επιμέρους με αναλυτική συλλογιστική πορεία, ενώ οι συνήθεις μαθηματικές μέθοδοι θεμελιώθηκαν στην αρχή της επαγωγής όπου, ξεκινώντας από τα επιμέρους, κτίζουμε τη γενικότητα με σύνθεση.

Ανακάλυψα επίσης ότι μερικές από τις πιο παραγωγικές μεθόδους έρευνας που ανακαλύφθηκαν από τους μαθηματικούς ήταν δυνατόν να εκφραστούν πολύ καλύτερα σε συνάρτηση με τις ιδέες του Faraday απ’ ό,τι στην αρχική τους μορφή.»

Στη συνέχεια, παρατίθεται το αγγλικό κείμενο, στην πρωτότυπη μορφή του, από το Βιβλίο του Maxwell A treatise on electricity and magnetism, Τόμος 1. Φέρει ημερομηνία 1 Φεβρουαρίου, 1873.

«The general complexion of the Treatise differs considerably from that of several excellent electrical works, published, most of them, in Germany, and it may appear that scant justice is done to the speculations of several eminent electricians and mathematicians. One reason of this is that before I began the study of electricity I resolved to read no mathematics on the subject till I had first read through Faraday’s Experimental Researches on Electricity. I was aware that there was supposed to be a difference between Faraday’s way of conceiving phenomena and that of the mathematicians, so that neither he nor they were satisfied with each other’s language. I had also the conviction that this discrepancy did not arise from either party being wrong. I was first convinced of this by Sir William Thomson, to whose advice and assistance, as well as to his published papers, I owe most of what I have learned on the subject.
As I proceeded with the study of Faraday, I Perceived that his method of conceiving the phenomena was a mathematical one, though not exhibited in the conventional form of mathematical symbols. I also found that these methods were capable of being expressed in the ordinary mathematical forms, and thus compared with those of professed mathematicians.
For instance, Faraday, in his mind’s eye, saw lines of force traversing all space where the mathematicians saw centres of force attracting at a distance: Faraday saw a medium where they saw nothing but distance: Faraday sought the seat of the phenomena in real actions going on in the medium, they were satisfied that they had found it in a power of action at a distance impressed on the on the electric fluids.
When I had translated what I considered to be Faraday’s ideas into a mathematical form, I found that in general the results of the two methods coincided, so that the same phenomena were accounted for, and the same laws of action deduced by both methods,  but that Faraday’s methods resembled those in witch we begin with the whole and arrive at the parts by analysis, while the ordinary mathematical methods were founded on the principle of beginning with the parts and building up the whole by synthesis.
I also found that several fertile methods of research discovered by the mathematicians could be expressed much better in terms of ideas derived from Faraday than in their original form.»